CN217801734U - 用于人型机器人的三自由度腰部结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于人型机器人的三自由度腰部结构，通过紧凑的机械结构，利用三个电机的转动带动腰部结构做出能高度模拟人体腰部的扭转、前俯后仰和左右倾倒的动作。本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构通过使用三个关节电机在空间上进行合理的布局，并通过相关结构件进行固定、传动，实现腰部的三个方向的自由度。每一个电机对应一个自由度，每个自由度之间的运动互不干涉；三个自由度可使上半身可以到达空间限制区域内的任意位置；使机器人的动作更加拟人化。本实用新型解决了现有机器人的腰部结构采用类似球幅的运动机构，存在与人体腰部特征差异大的问题。

Description

用于人型机器人的三自由度腰部结构

技术领域

本实用新型涉及仿真机器人技术领域，具体涉及一种用于人型机器人的三自由度腰部结构。

背景技术

近年来仿人机器人已成为机器人发展的主要方向之一。服务型机器人已逐渐走进人们的视野，融入到人们的生活当中。目前市场上已有批量售卖的机器人大多数是没有腰部运动的特定功能的机器人，比如酒店的送餐机器人、导引机器人等。

人体腰部运动可简化表示为三个自由度，即转动、前后摇摆、左右摇摆三个方向的运动，需要较大的运动空间，防止运动过程中产生干涉。通过分析，三个自由度的旋转中心非常接近，旋转中心的轴心方向近乎相互垂直，形成一个空间球幅自由度，现有的技术大多数是在腰部位置设计成类似一个球幅的运动机构，满足腰部的运动需求，但是这个结构的造成机器人的整体外观与人体腰部特征差异较大，不太符合高仿人型机器人的外观需求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种用于人型机器人的三自由度腰部结构，以解决现有机器人的腰部结构采用类似球幅的运动机构，存在与人体腰部特征差异大的问题。

为实现上述目的，提供一种用于人型机器人的三自由度腰部结构，包括：

第一支承板，所述第一支承板具有用于安装人型机器人的腿部结构的两端，所述第一支承板的中部固设有竖向设置的扭转电机；

第二支承板，安装于所述扭转电机的输出轴，所述第二支承板固设有第一翻转电机，所述第一翻转电机的输出轴沿所述第一支承板的长度方向设置；

第一支架，安装于所述第一翻转电机的输出轴，所述第一支架安装有第二翻转电机，所述第二翻转电机的输出轴沿所述第一支承板的宽度方向设置；以及

用于安装所述人型机器人的躯干结构的第二支架，安装于所述第二翻转电机的输出轴，所述第二支架设置于所述扭转电机的输出轴的正上方。

进一步的，所述第一支架包括：

沿所述第二支承板的长度方向设置的第三支承板，设置于所述第一翻转电机的输出轴的上方；以及

竖向设置的第一下耳板，所述第三支承板的两端的下部分别形成有所述第一下耳板，所述第二支承板的两端分别上翻形成第一上耳板，两所述第一下耳板与两所述第一上耳板一一对应的相对设置，所述第一翻转电机安装于一对所述第一上耳板和所述第一下耳板之间，另一对所述第一上耳板和所述第一下耳板通过第一枢接轴枢接在一起，所述第一枢接轴与所述第一翻转电机的输出轴同轴设置。

进一步的，所述第二支架包括：

沿所述第二支承板的宽度方向设置的第四支承板，所述第四支承板设置于所述扭转电机的输出轴的正上方且设置于所述第二翻转电机的输出轴的上方；以及

竖向设置的第二下耳板，所述第四支承板的两端的下部分别形成有所述第二下耳板，所述第三支承板的相对两侧的分别上翻形成第二上耳板，两所述第二下耳板与两所述第二上耳板一一对应的相对设置，所述第二翻转电机安装于一对所述第二上耳板和所述第二下耳板之间，另一对所述第二上耳板和所述第二下耳板通过第二枢接轴枢接在一起，所述第二枢接轴与所述第二翻转电机的输出轴同轴设置。

进一步的，所述第二翻转电机固设于一所述第二上耳板，所述第二翻转电机的输出轴固接于一所述第二下耳板。

进一步的，所述第一翻转电机固设于一所述第一上耳板，所述第一翻转电机的输出轴固接于一所述第一下耳板。

进一步的，另一所述第一下耳板开设有弧形滑槽，所述弧形滑槽沿所述第一枢接轴的圆周方向设置，另一所述第一上耳板形成有限位柱，所述限位柱滑设于所述弧形滑槽中。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构，通过紧凑的机械结构，利用三个电机的转动带动腰部结构做出能高度模拟人体腰部的扭转、前俯后仰和左右倾倒的动作。本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构通过使用三个关节电机在空间上进行合理的布局，并通过相关结构件进行固定、传动，实现腰部的三个方向的自由度。每一个电机对应一个自由度，每个自由度之间的运动互不干涉，三个自由度可使上半身可以到达空间限制区域内的任意位置，使机器人的动作更加拟人化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例的用于人型机器人的三自由度腰部结构的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的用于人型机器人的三自由度腰部结构的主视图。

图3为本实用新型实施例的用于人型机器人的三自由度腰部结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1至图3所示，本实用新型提供了一种用于人型机器人的三自由度腰部结构，包括：第一支承板1、第二支承板2、第一支架3和第二支架4。

其中，第一支承板1具有用于安装人型机器人的腿部结构的两端。第一支承板1的中部固设有竖向设置的扭转电机11。

具体的，第一支承板呈倒U形。第一支承板的顶部安装有所述扭转电机。第二支承板2安装于扭转电机11的输出轴。通过扭转电机带动第二支承板绕一竖向轴线转动，进而模拟人类腰部的转动或扭转动作。

第二支承板2固设有第一翻转电机21。第一翻转电机21的输出轴沿第一支承板1的长度方向设置。第一支架3安装于第一翻转电机上。第一支架3安装于第一翻转电机21的输出轴。通过第一翻转电机带动第一支架前后翻转，进而模拟人类腰部的前俯后仰动作。

第一支架3安装有第二翻转电机32。第二翻转电机32的输出轴沿第一支承板1的宽度方向设置。第二支架4安装于第二翻转电机32的输出轴。第二支架4设置于扭转电机11的输出轴的正上方。通过第二翻转电机带动第二支架的左右方向上的翻转，进而模拟人类腰部的左右倾倒动作。

第二支架4呈U形，具体的，第二支架用于安装人型机器人的躯干结构。

本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构，通过紧凑的机械结构，利用三个电机的转动带动腰部结构做出能高度模拟人体腰部的扭转、前俯后仰和左右倾倒的动作。本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构通过使用三个关节电机在空间上进行合理的布局，并通过相关结构件进行固定、传动，实现腰部的三个方向的自由度。每一个电机对应一个自由度，每个自由度之间的运动互不干涉；三个自由度可使上半身可以到达空间限制区域内的任意位置；使机器人的动作更加拟人化。

本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构，在扭转电机的轴线与第二翻转电机的轴线形成夹角θ，形成该角度的目的使机器人骨架结构与人体脊椎骨形成相同的曲线，使机器人的运动更加拟人化，便于机器人的外形造型设计，使机器人的外观与真人体型更加相似。

继续参阅图1，第一支架3包括：第三支承板31和第一下耳板311。

其中，第三支承板31沿第二支承板2的长度方向设置。第三支承板31设置于第一翻转电机21的输出轴的上方且位于扭转电机的正上方。扭转电机的输出轴连接于第二支承板的中部。

第一下耳板311竖向设置。第三支承板31的两端的下部分别形成有第一下耳板311。第二支承板2的两端分别上翻形成第一上耳板201。两第一下耳板311与两第一上耳板201一一对应的相对设置。第一翻转电机21安装于一对第一上耳板201和第一下耳板311之间。参阅图3，另一对第一上耳板201和第一下耳板311通过第一枢接轴22枢接在一起，第一枢接轴22与第一翻转电机21的输出轴同轴设置。

继续参阅图3，另一第一下耳板311开设有弧形滑槽。弧形滑槽沿第一枢接轴22的圆周方向设置。另一第一上耳板201形成有限位柱23，限位柱23滑设于弧形滑槽中。

在本实施例中，弧形滑槽的数量为两个。第一上耳板201形成有两个限位柱，两个限位柱一一对应地滑设于两弧形滑槽中。

第二支架4包括：第四支承板41和第二下耳板411。

其中，第四支承板41沿第二支承板2的宽度方向设置且倾斜设置。第四支承板41设置于扭转电机11的输出轴的正上方且设置于第二翻转电机32的输出轴的上方。

第二下耳板411竖向设置。第四支承板41的两端的下部分别形成有第二下耳板411。第三支承板31的相对两侧的分别上翻形成第二上耳板312，两第二下耳板411与两第二上耳板312一一对应的相对设置。第二翻转电机32安装于一对第二上耳板312和第二下耳板411(第四支承板的上端的第二下耳板)之间，另一对第二上耳板312和第二下耳板411(第四支承板的下端的第二下耳板)通过第二枢接轴枢接在一起。第二枢接轴与第二翻转电机32的输出轴同轴设置。

第二翻转电机为倾斜设置，其与第四支承板同向设置，倾斜度相匹配。第二翻转电机的中轴线与身体的垂直方向不垂直，形成一个θ的角度，该角度不等于90°(小于90°)。如此设计的目的是使机器人的腰部骨架结构与人体骨骼造型更为相似，方便外观造型设计，并可以使机器人的运动更加拟人化。

在本实施例中，第二翻转电机32固设于一第二上耳板312，第二翻转电机32的输出轴固接于第四支承板的上端的第二下耳板。

在本实施例中，第一翻转电机21固设于一第一上耳板201，第一翻转电机21的输出轴固接于一第一下耳板311。

本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构，通过对人体腰部在运动过程中的运动特性进行分析，总结出腰部运动大致可分为三个自由度，分别为躯干旋转(或扭转)、躯干前后摇摆(或前俯后仰)、躯干左右摇摆(或左右倾倒)。通过简化分析模拟出各个自由度的转动中心的位置。基于以上分析的结果，对机器人的骨架进行设计，使机器人的运动更加拟人化，外观造型与人体体型更加相似。

本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构在机器人的腰腹位置设置了三个自由度，形成一个空间球幅自由度，在三个电机的驱动下可使机器人躯干可以到达限制运动区域内的任意位置。

本实用新型的用于人型机器人的三自由度腰部结构在腰部共设有上半身旋转、前后弯腰，左右侧腰三个自由度，涉及到三个电机的位置分布，共涉及到8种分布方案。通过3D建模软件运动仿真与真人运动实际运动效果对比后，将上半身扭转驱动的扭转电机位置，放置上半身旋转驱动电机最为合理。

根据对人体弯腰和侧腰两个运动进行简化分析发现，侧腰运动更偏上肢，弯腰动作次之。如若将图1中左右侧腰的第二翻转电机与前后弯腰的第一翻转电机调换位置，会导致机器人的运动相对于人体的弯腰和侧腰运动失真，因此图1所示的布置前后弯腰电机和左右侧腰电机合理，高度模仿人体腰部动作。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，包括：

第一支承板，所述第一支承板具有用于安装人型机器人的腿部结构的两端，所述第一支承板的中部固设有竖向设置的扭转电机；

第二支承板，安装于所述扭转电机的输出轴，所述第二支承板固设有第一翻转电机，所述第一翻转电机的输出轴沿所述第一支承板的长度方向设置；

第一支架，安装于所述第一翻转电机的输出轴，所述第一支架安装有第二翻转电机，所述第二翻转电机的输出轴沿所述第一支承板的宽度方向设置；以及

用于安装所述人型机器人的躯干结构的第二支架，安装于所述第二翻转电机的输出轴，所述第二支架设置于所述扭转电机的输出轴的正上方。

2.根据权利要求1所述的用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，所述第一支架包括：

沿所述第二支承板的长度方向设置的第三支承板，设置于所述第一翻转电机的输出轴的上方；以及

竖向设置的第一下耳板，所述第三支承板的两端的下部分别形成有所述第一下耳板，所述第二支承板的两端分别上翻形成第一上耳板，两所述第一下耳板与两所述第一上耳板一一对应的相对设置，所述第一翻转电机安装于一对所述第一上耳板和所述第一下耳板之间，另一对所述第一上耳板和所述第一下耳板通过第一枢接轴枢接在一起，所述第一枢接轴与所述第一翻转电机的输出轴同轴设置。

3.根据权利要求2所述的用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，所述第二支架包括：

沿所述第二支承板的宽度方向设置的第四支承板，所述第四支承板设置于所述扭转电机的输出轴的正上方且设置于所述第二翻转电机的输出轴的上方；以及

竖向设置的第二下耳板，所述第四支承板的两端的下部分别形成有所述第二下耳板，所述第三支承板的相对两侧的分别上翻形成第二上耳板，两所述第二下耳板与两所述第二上耳板一一对应的相对设置，所述第二翻转电机安装于一对所述第二上耳板和所述第二下耳板之间，另一对所述第二上耳板和所述第二下耳板通过第二枢接轴枢接在一起，所述第二枢接轴与所述第二翻转电机的输出轴同轴设置。

4.根据权利要求3所述的用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，所述第二翻转电机固设于一所述第二上耳板，所述第二翻转电机的输出轴固接于一所述第二下耳板。

5.根据权利要求2所述的用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，所述第一翻转电机固设于一所述第一上耳板，所述第一翻转电机的输出轴固接于一所述第一下耳板。

6.根据权利要求5所述的用于人型机器人的三自由度腰部结构，其特征在于，另一所述第一下耳板开设有弧形滑槽，所述弧形滑槽沿所述第一枢接轴的圆周方向设置，另一所述第一上耳板形成有限位柱，所述限位柱滑设于所述弧形滑槽中。

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