PL246838B1 - Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest samonośny kręgosłup robota humanoidalnego przeznaczony do budowy układu nośnego i połączenia jego elementów funkcjonalnych. Istotę rozwiązania stanowi samonośny kręgosłup robota humanoidalnego, który zawiera co najmniej jeden zespół członu pośredniego oraz zespół członu dolnego i członu górnego. Sąsiadujące ze sobą zespoły członów są ze sobą połączone przy pomocy połączenia kulistego. Zespół członu pośredniego posiada trzpień pośredni, który z jednej strony jest zakończony czaszą. Na części walcowej trzpienia pośredniego jest osadzony kielich, którego wewnętrzna powierzchnia walcowa jest pasowana z zewnętrzną powierzchnią walcową trzpienia pośredniego. Kielich posiada odkształcalną czaszę, wykonaną z tworzywa sztucznego. Zespół członu górnego składa się z członu górnego oraz kielicha. Wewnętrzna powierzchnia walcowa u nasady kielicha jest osadzona na zewnętrznej powierzchni walcowej członu górnego, a wewnętrzna powierzchnia czołowa u nasady kielicha opiera się na czołowej powierzchni kołnierza trzpienia zespołu członu górnego. Zespół członu dolnego składa się z trzpienia dolnego, pierścienia odkształcalnego o kształcie torusa oraz opaski elastycznej. Trzpień dolny jest zakończony kulistą czaszą na którym osadzono i zamocowano tulejkę.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest samonośny kręgosłup robota humanoidalnego przeznaczony do budowy układu nośnego i połączenia jego elementów funkcjonalnych.

Z opisu chińskiego zgłoszenia CN113967358A znany jest wynalazek, który ujawnia wielosekcyjną ruchomą konstrukcję zabawki. Wielosekcyjna ruchoma konstrukcja zabawki zawiera obrotową głowicę, ogon i obrotowe pierścienie łączące. Obrotowa głowica i ogon są połączone ruchomo za pomocą zestawu pierścieni łączących, a zestaw pierścieni łączących składa się z co najmniej jednego obrotowego połączenia o różnych średnicach. Głowica obrotowa i ogon zabawki są połączone za pomocą zestawu pierścieni łączących. Konstrukcja obraca się elastycznie i nie jest podatna na rozłączanie.

Znany jest wzór użytkowy CN214907749U, który przedstawia strukturę stawu kręgowego i elastyczne obejmy. Konstrukcja stawu kręgowego zawiera elementy stawu oraz drut przewodzący przechodzący przez elementy stawu. Sąsiadujące zespoły kręgów są przymocowane do kulistych rowków poprzez główki kulkowe. Natomiast rowki pozycjonujące biegnące wzdłuż drutów prowadzących są uformowane w rowkach kulistych. Główki kuli są wyposażone w występy pozycjonujące, które mogą poruszać się wzdłuż rowków pozycjonujących, oraz ograniczyć względną rotację dwóch jednostek kręgów. Elastyczne kleszcze zawierają mechanizm sterujący. Zgodnie z budową stawu kręgowego, główki kul mogą odchylać się pod dużym kątem w małym zakresie.

Z brytyjskiego zgłoszenia GB2515504A znany jest elastyczny tor zasłonowy zawierający przegubowy rdzeń dystansujący z wieloma kręgami połączonymi łańcuchowo. Rdzeń posiada pierwszą i drugą stronę oraz co najmniej dwa kręgi połączone ze sobą mechanizmem zawiasowym, wspierającym zginający ruch boczny. W jednym przykładzie wykonania zawias zapewnia ograniczony ruch między połączonymi kręgami. Pierwszy profil wykończeniowy jest sprzęgnięty z pierwszą stroną rdzenia, umożliwiając przesuwanie się pierwszego profilu względem pierwszej strony, a drugi profil wykończeniowy jest sprzęgnięty z drugą stroną rdzenia, umożliwiając przesuwanie się drugiego profilu względem drugiej strony. W innym przykładzie wykonania pierwszy i drugi profil są skonfigurowane tak, że po zgięciu toru przezwyciężają cierne sprzężenie punktowe z przeciwległymi bokami co najmniej jednego kręgu, wspierając niezależny ruch i zmianę położenia pierwszego profilu wykończeniowego względem drugiego profilu wykończeniowego.

Ze zgłoszenia amerykańskiego US2020061783A1 znane jest wielosekcyjne narzędzie uniwersalne składające się z elementu montażowego, łączącego i dwóch elementów elastycznych. Przegub kulowy zawiera łączący elastyczny element oporowy, który ma tendencję do promieniowego przemieszczania się na zewnątrz.

Rozwiązania ze stanu techniki posiadające wieloczłonowe elementy nośne nie zapewniały możliwości odkształcania w niewielkim zakresie kątowym poszczególnych współpracujących ze sobą członów względem osi, które to ograniczenia stanowiły problem w budowie robotów humanoidalnych lub egzoszkieletów.

Celem wynalazku było opracowanie elastycznego wielomodułowego układu, który po ustaniu sił odkształcających, wynikających z potrzeb dotyczących przemieszczeń elementów połączonych z opracowanym kręgosłupem, samoczynnie powraca do stanu wyprostowanego.

Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego zgodny z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej jeden zespół członu pośredniego oraz zespół członu dolnego i zespół członu górnego. Sąsiadujące ze sobą zespoły co najmniej jednego członu pośredniego, zespołu członu dolnego i zespołu członu górnego, są ze sobą połączone przy pomocy połączeń kulistych. Zespół członu pośredniego zawiera trzpień pośredni z przelotowym otworem osiowym, a trzpień pośredni w części górnej jest zakończony kulą, zaś w części dolnej jest zakończony czaszą o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rb, przebiegającej poza równik powierzchni kulistej. Na zewnętrznej powierzchni czaszy znajdują się równomiernie rozmieszczone pionowo po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne. Trzpień pośredni powyżej zewnętrznej powierzchni czaszy ma część walcową, na której w obwodowym rowku osadzony jest na wcisk odkształcalny pierścień o profilu kołowym. Powyżej pierścienia odkształcalnego trzpień pośredni ma pogrubienie o przekroju poprzecznym sześciokątnym, na które nałożona jest elastyczna opaska z co najmniej jedną parą sprężystych występów rozmieszczonych symetrycznie względem siebie, tworzącymi widełki. Na części walcowej trzpienia pośredniego jest osadzony kielich, którego wewnętrzna powierzchnia walcowa jest spasowana z zewnętrzną powierzchnią walcową trzpienia pośredniego, a wewnętrzna czołowa powierzchnia kielicha oparta jest na czołowej powierzchni koł nierza trzpienia pośredniego. Wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej trzpienia pośredniego, symetrycznie z obydwu stron, są podłużne rowki, w których umieszczone są wypusty kielicha przebiegające wzdłuż ich wewnętrznej powierzchni walcowej. Kielich ma odkształcalną czaszę zawierającą równomiernie rozmieszczone pionowe obwodowe wgłębienia zewnętrzne kielicha i pionowe obwodowe wgłębienia wewnętrzne kielicha. W części wewnętrznej czaszy znajdują się dwa symetrycznie położone sprężyste występy kolcowe, które po połączeniu co najmniej jednego zespołu członu pośredniego, zespołu członu dolnego i zespołu członu górnego, umieszczone są pomiędzy sprężystymi występami elastycznych opasek. Zewnętrzna powierzchnia czaszy kielicha w kształcie rowka obwodowego o przekroju kołowym przylega do zewnętrznej powierzchni torusowej pierścienia odkształcalnego. Zespół członu górnego zawiera trzpień górny, kielich oraz opaskę elastyczną. Trzpień górny w części dolnej zakończony jest czaszą o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rb, przebiegającej poza równik powierzchni kulistej, a na zewnętrznej powierzchni czaszy znajdują się równomiernie rozmieszczone pionowo po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne, a w górnej części trzpień górny powyżej zewnętrznej powierzchni czaszy ma część walcową z zewnętrzną powierzchnią walcową, na której jest osadzona wewnętrzna powierzchnia walcowa kielicha. Z kolei wewnętrzna powierzchnia czołowa kielicha oparta jest na czołowej powierzchni kołnierza trzpienia górnego. Wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej trzpienia górnego, symetrycznie z obydwu stron znajdują się podłużne rowki, w których umieszczono wypusty kielicha przebiegające wzdłuż wewnętrznej powierzchni walcowej. Kielich posiada pionowe obwodowe wgłębienia zewnętrzne i pionowe obwodowe wgłębienia wewnętrzne wzdłuż osi na powierzchni zewnętrznej i na powierzchni wewnętrznej. Zespół członu dolnego zawiera trzpień dolny, pierścień odkształcalny oraz opaskę elastyczną. Trzpień dolny w części górnej jest zakończony kulą, zaś w części dolnej ma kołnierz trzpienia dolnego, na którym osadzona jest tulejka. Pierścień odkształcalny oparty jest w rowku obwodowym trzpienia dolnego oraz na powierzchni czołowej tulei o profilu kołowym. Opaska elastyczna z dwoma parami sprężystych występów, tworzącymi widełki, osadzona jest na pogrubieniu trzpienia o przekroju sześciokątnym. Zespoły co najmniej jednego zespołu członu pośredniego, zespołu członu dolnego i zespołu członu górnego kręgosłupa są połączone ze sobą poprzez połączenia kuliste, w których powierzchnie zewnętrzne kul trzpieni mają promień Rs i przylegają do powierzchni wewnętrznych czasz kulistych trzpieni mających promieniu Rb, przy czym wartości promieni Rs i Rb są jednakowe.

Korzystnie, gdy pierścień odkształcalny stanowi powłokę w kształcie torusa, a wnętrze pierścienia odkształcalnego jest wypełnione materiałem elastycznym.

Korzystnie, gdy obwodowe wgłębienia zewnętrzne i obwodowe wgłębienia wewnętrzne kielicha są przesunięte symetrycznie względem siebie o połowę podziałki kątowej.

Korzystnie, gdy para sprężystych występów opaski elastycznej w przekroju poprzecznym mają kształt ścianek łukowych odchylających się na zewnątrz względem występów i są wykonane z materiałów sprężystych.

Korzystnie, gdy zespoły członów pośrednich, oraz zespół członu dolnego i zespół członu górnego kręgosłupa są wychylne we wszystkich kierunkach o kąt·α1, a2 i aa, a graniczne wychylenie kręgosłupa ajest sumą wychyleń kątów składowych αι, a2 i aa, przy czym wartości graniczne kątów składowych αι, α2 i aa, zawierają się w przedziale od 6° do 12°.

Korzystnie, gdy zespoły członu pośredniego, członu dolnego i członu górnego, są obrotowe o kąty β, które w płaszczyźnie prostopadłej do osi poszczególnych zespołów członów kręgosłupa są ograniczone przez sprężyste występy kolcowe kielicha, które są umieszczone w wycięciach sprężystych występów elastycznej opaski i zawierają się korzystnie w przedziale ±6°.

Korzystnie, gdy samonośny kręgosłup robota humanoidalnego zawiera od 1 do 8 zespołów członów pośrednich.

Korzystnie, gdy zespoły członu pośredniego, członu dolnego i członu górnego mają środki obrotu S sąsiadujących ze sobą zespołów członów oddalone od siebie w odległości Rc, zawierającej się w przedziale od 5^Rs do 6^Rs.

Korzystnie, gdy powierzchnia wewnętrzna czaszy kielicha w przekroju poprzecznym posiada zarys kołowy o promieniu Rk, którego środek Sk znajduje się na równoleżnikowej płaszczyźnie prostopadłej do jego osi, a wartość promienia Rk zawiera się w przedziale od 6^Rs do 8R Korzystnie, gdy czasza kielicha zawiera jednakową ilość obwodowych wgłębień zewnętrznych i obwodowych wgłębień wewnętrznych, korzystnie w przedziale od 12 do 16 wgłębień.

Korzystnie, gdy torusowy pierścień odkształcalny oraz opaska elastyczna są wykonane z materiału elastycznego.

Korzystnie, gdy torusowy pierścień odkształcalny oraz opaska elastyczna są wykonane z elastomeru termoplastycznego TPE-U lub gumy.

Korzystnie, gdy trzpień górny, trzpień dolny i trzpień pośredni oraz kielich są wykonane z materiałów sprężystych odpornych na korozję i zużycie ścierne.

Korzystnie, gdy kielich jest wykonany ze sprężystego tworzywa sztucznego.

Korzystnie, gdy kielich jest wykonany z polipropylenu lub poliamidu A.

Zgodnie z wynalazkiem poszczególne zespoły członu dolnego i górnego oraz wszystkie człony pośrednie nie są połączone przez odrębny układ nośny, ale pozostając względem siebie w różnych położeniach kątowych tworzą układ, który samoczynnie powraca do stanu zbliżonego do prostoliniowego. Przy tym zespoły te pozostają zawsze stabilnie połączone ze sobą, co tworzy samonośny układ. Nadmierne wygięcia linii kręgosłupa są ograniczone działaniem odkształcalnych elementów, które powodują jego prostowanie po ustaniu oddziaływań wyginających. W przedmiotowym rozwiązaniu nie są możliwe wygięcia, które prowadziłyby do destrukcji układu.

Wynalazek rozwiązuje problem budowy układu nośnego dla konstrukcji robotów humanoidalnych lub egzoszkieletów w postaci wieloczłonowego samonośnego kręgosłupa, który zapewnia możliwość odkształcenia niewielkich kątowych odchyleń poszczególnych członów względem osi kręgosłupa. Zaletą samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego jest możliwość odkształcenia w dowolnej płaszczyźnie osiowej poszczególnych zespołów członów o kąt, przy czym kąty odch ylenia osi poszczególnych zespołów członów są ograniczone powierzchniami wewnętrznymi czasz kielichów przylegających do zewnętrznych powierzchni odkształcalnego pierścienia w postaci torusa, co zapewnia samoczynne prostowanie po ustaniu obciążenia kręgosłupa i samoczynnie prostowany jest kręgosłup. Ponadto kąty względnego obrotu wokół osi sąsiadujących ze sobą zespołów członów kręgosłupa są ograniczone poprzez sprężyste połączenie elementów widełkowych opasek elastycznych osadzonych na trzpieniach zespołów członów kręgosłupa, między którymi umieszczane są sprężyste występy kolcowe wewnętrznej powierzchni odkształcalnej czaszy kielicha. To z kolei także zapewnia samoczynny powrót do początkowego stabilnego położenia zespołów członów po ustaniu obciążenia kręgosłupa.

Siła oddziaływania Fp odkształcalnego pierścienia na wewnętrzną powierzchnię czaszy kielicha, podczas jego wychylenia zespołu członu kręgosłupa, ma kierunek zbliżony do prostopadłej osi, odchylony jedynie o niewielki kąt od prostopadłej do osi zespołu, co zapewnia, że nie występują obciążenia osiowe zespołów, a to jest korzystne dla zarówno skuteczności samoczynnego prostowania, jak i dla trwałości połączeń zespołów.

Wgłębienia zewnętrzne oraz wgłębienia wewnętrzne, tworzą odkształcalną promieniowo falistą powłokę, która umożliwia zwiększenie podatności układu poprzez lokalne odkształcenie promieniowe czaszy kielicha, co wraz z odkształceniem lokalnym zewnętrznej powierzchni torusowej odkształcalnego pierścienia, wpływa na zakres wychylenia poszczególnych zespołów członu kręgosłupa.

Wgłębienia wewnętrzne na powierzchni wewnętrznej czaszy kielicha poza funkcją zwiększenia sprężystej części kielicha mają dodatkowo wpływ na ograniczenia ruchu obrotowego zespołu członu w wyniku tarcia o powierzchnię zewnętrzną pierścienia torusowego, przy czym im większe jest wychylenie danego członu tym większe jest odkształcenie pierścienia torusowego oraz powierzchni kielicha oraz większe jest ograniczenie w obrocie członu wokół własnej osi, co jest korzystne dla stabilności całego szkieletu.

We wszystkich trzpieniach poszczególnych zespołów członów występuje przelotowy otwór osiowy, który może być wykorzystywany do montażu (wstawienia) instalacji elektrycznych, hydraulicznych lub pneumatycznych.

Przedmiot wynalazku opisano poniżej bardziej szczegółowo w przykładzie wykonania zilustrowanym rysunkami, które przedstawiają:

fig. 1 - samonośny kręgosłup robota humanoidalnego w widoku z przodu, fig. 2 - przekrój A-A samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego w ujęciu z fig. 1, fig. 3 - samonośny kręgosłup robota humanoidalnego w widoku izometrycznym, fig. 4 - półwidok i półprzekrój członu pośredniego przegubu, fig. 5 - człon pośredni przegubu w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 6 - półwidok i półprzekrój członu dolnego, fig. 7 - człon dolny w widoku izometrycznym, fig. 8 - półwidok i półprzekrój członu górnego, fig. 9 - człon górny w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 10 - kielich w widoku z przodu, fig. 11 - kielich w widoku z dołu, fig. 12 - przekrój B-B kielicha w ujęciu z fig. 10, fig. 13 - przekrój C-C kielicha w ujęciu z fig. 11, fig. 14 - kielich w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 15 - opaska elastyczna w widoku z przodu, fig. 16 - opaska elastyczna w widoku z góry, fig. 17 - opaska elastyczna w widoku izometrycznym, fig. 18 - zespół członu pośredniego w widoku z przodu, fig. 19 - przekrój D-D zespołu członu pośredniego w ujęciu z fig. 18, fig. 20 - zespół członu pośredniego w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 21 - zespół członu dolnego w widoku z przodu, fig. 22 - przekrój E-E zespołu członu dolnego w ujęciu z fig. 21, fig. 23 - zespół członu dolnego w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 24 - zespół członu górnego w widoku z przodu, fig. 25 - przekrój F-F zespołu członu górnego w ujęciu z fig. 24, fig. 26 - zespół członu górnego w widoku izometrycznym z wycięciem ćwiartkowym, fig. 27 - zespół członu górnego oraz członu pośredniego w widoku z przodu, fig. 28 - przekrój G-G zespołu członu górnego oraz członu pośredniego w ujęciu z fig. 27, fig. 29 - przekrój H-H zespołu członu górnego oraz członu pośredniego w ujęciu z fig. 28, fig. 30 - samonośny kręgosłup robota humanoidalnego w pozycji granicznego wychylenia w widoku z przodu, fig. 31 - przekrój K-K samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego w pozycji granicznego wychylenia w ujęciu z fig. 31, fig. 32 - samonośny kręgosłup robota humanoidalnego w pozycji wychyleń poszczególnych członów w różnych kierunkach w widoku z przodu, fig. 33 - przekrój L-L samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego w pozycji wychyleń poszczególnych członów w różnych kierunkach w ujęciu z fig. 29.

Przykład wykonania

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1, 2 i 3 samonośny kręgosłup robota humanoidalnego zawiera dwa zespoły członu pośredniego 4 (fig. 18, 19 i 20) oraz zespół członu dolnego 5 (fig. 21, 22 i 23) i zespół członu górnego 6 (fig. 24, 25 i 26). Sąsiadujące ze sobą zespoły członów - zespołu członu dolnego 5 z pierwszym zespołem członu pośredniego 4, następnie pierwszego zespołu członu pośredniego 4 z drugim zespołem członu pośredniego 4’ oraz drugiego zespołu członu pośredniego 4’ z zespołem członu górnego 6 (fig. 27 i 28) - są ze sobą połączone przy pomocy połączenia kulistego.

Zespół członu pośredniego 4 posiada trzpień pośredni 3 (fig. 4 i 5) z przelotowym otworem osiowym 15, który w części górnej jest zakończony kulą 23, zaś w części dolnej jest zakończony czaszą 24 o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rk równe 55 mm, rozciągającą się poza równik powierzchni kulistej. Na zewnętrznej powierzchni czaszy 24 występują równomierne rozmieszczone po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne 14 zapewniające możliwość sprężystego odkształcenia czaszy podczas montażu kolejnych zespołów członów. Powyżej czaszy kulistej 24 trzpień pośredni 3 posiada część walcową, na której osadzony jest na wcisk, w obwodowym rowku 18 o profilu kołowym, pierścień odkształcalny 7 będący powłoką w kształcie torusa. Wnętrze 19 pierścienia 7 jest dodatkowo wypełnione gumą techniczną EPDM (kauczuk etokylenowo-propylenowo-dienowy). Oprócz tego trzpień 3 posiada pogrubienie 20 o przekroju poprzecznym sześciokątnym, na które nałożona jest elastyczna opaska 10 (fig. 15, 16 i 17) z dwoma parami sprężystych występów 17, tworzących widełki. Na część walcową trzpienia 3 jest osadzony kielich 8 (fig. 10, 11, 12, 13 i 14), którego wewnętrzna powierzchnia walcowa 22 jest pasowana z zewnętrzną powierzchnią walcową 21 trzpienia 3. Ponadto wewnętrzna czołowa powierzchnia 28 kielicha 8 opiera się na czołowej powierzchni kołnierza 25a trzpienia 3. Wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej 21 trzpienia 3, symetrycznie z obydwu stron, są podłużne rowki 26, w których umieszczono wypusty 27 kielicha 8, rozciągające się wzdłuż wewnętrznej powierzchni walcowej 22. Przy czym kielich 8 posiada odkształcalną czaszę 11 posiadającą równomiernie rozmieszczone wgłębienia zewnętrzne 12 i wgłębienia wewnętrzne 13. Wgłębienia zewnętrzne 12 i wewnętrzne 13 są przesunięte symetrycznie względem siebie o połowę podziałki kątowej o wartości 15°. W przekroju poprzecznym B-B, pokazanym na fig. 12, wgłębienia zewnętrzne 12 oraz wgłębienia wewnętrzne 13, tworzą odkształcalną promieniowo falistą powłokę, która umożliwia przyleganie większej powierzchni wewnętrznej 11 czaszy kielicha 8 do zewnętrznej powierzchni torusowej odkształcalnego pierścienia 7. Dzięki takiemu rozwiązaniu zmniejsza się nacisk powierzchniowy pomiędzy przylegającymi powierzchniami kielicha 8 i pierścienia 7, co sprzyja stabilnej pracy kręgosłupa. Poza tym wgłębienia wewnętrzne 13 na powierzchni kielicha 8 mają dodatkowo wpływ na ograniczenie ruchu obrotowego wszystkich zespołów członów 5, 4, 4’ i 6 kręgosłupa w wyniku tarcia o powierzchnię zewnętrzną 12 pierścienia torusowego 7. Przy czym im większe jest odkształcenie sprężyste pierścienia torusowego i czaszy kielicha, tym większe jest ograniczenie w obrocie zespołów członów kręgosłupa wokół ich własnych osi, co jest korzystne dla stabilności całego szkieletu. W części wewnętrznej czaszy 11 kielicha 8 występują dwa symetryczne sprężyste występy kolcowe 16, które podczas montażu zespołów członów kręgosłupa są umieszczane pomiędzy występami 17 elastycznych opasek 10. Przy tym wewnętrzna powierzchnia czaszy 11 kielicha 8 przylega do zewnętrznej powierzchni torusowej pierścienia 7. Dzięki takiemu rozwiązaniu następuje ograniczenie ruchu obrotowego wszystkich zespołów członu kręgosłupa wokół ich osi, gdyż przy maksymalnym kącie obrotu β powierzchnie boczne sprężystych występów kolcowych 16 umieszczonych na wewnętrznej powierzchni czaszy kulistej 11 kielicha 8, opierają się o boczne powierzchnie wewnętrzne występów 17.

Zespół członu górnego 6 składa się z trzpienia górnego 2 (fig. 8, 9) oraz kielicha 8. Trzpień górny 2 w części dolnej zakończony jest czaszą 24 o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rb, przebiegającej poza równik powierzchni kulistej, a na zewnętrznej powierzchni czaszy 24 występują równomiernie rozmieszczone pionowo po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne 14, a w części górnej trzpień górny 2 powyżej zewnętrznej powierzchni czaszy 24 ma część walcową z zewnętrzną powierzchnią walcową 21, na której jest osadzona wewnętrzna powierzchnia walcowa 22 kielicha 8. Z kolei wewnętrzna powierzchnia czołowa 28 kielicha 8 opiera się na czołowej powierzchni kołnierza 25b trzpienia 2. Wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej 21 trzpienia 2, symetrycznie z obydwu stron są podłużne rowki 26, w których umieszczono wypusty 27 kielicha 8 rozciągające się wzdłuż jego wewnętrznej powierzchni walcowej 22.

Z kolei zespół członu dolnego 5 składa się z trzpienia 1 (fig. 6 i 7), pierścienia 7 oraz opaski elastycznej 10. Trzpień dolny 1 w części górnej jest zakończony kulą 23, a w części dolnej posiada kołnierz 32, na którym osadzono i zamocowano tulejkę 9. Dodatkowo pierścień odkształcalny 7 oparty jest w rowku obwodowym 18 oraz na powierzchni czołowej tulei 9 o profilu kołowym. Opaskę elastyczną 10 z dwoma parami sprężystych występów 17, tworzących widełki, osadzono na pogrubieniu 20 trzpienia 1 o przekroju sześciokątnym. Poszczególne zespoły członów 4, 4’, 5 i 6 kręgosłupa są połączone ze sobą przy pomocy połączenia kulistego, w którym powierzchnie zewnętrzne kul 23 o promieniu Rs przylegają do powierzchni wewnętrznych czasz kulistych 24 o promieniu Rb, a sprężyste występy kolcowe 16 kielichów 8 są umieszczone w pomiędzy występami 17 elastycznych opasek 10.

Sprężyste występy 17 opaski elastycznej 10, w przekroju poprzecznym mają kształt ścianek łukowych odchylających się na zewnątrz względem sprężyste występy kolcowe 16.

Dwa zespoły członów pośrednich 4 i 4’, zespół członu dolnego 5 i zespół członu górnego 6 mogą się wychylać we wszystkich kierunkach o kąt α·ι, α2 i α3, a graniczne wychylenie kręgosłupa α jest sumą wychyleń kątów składowych α1, α2 i α3. W przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 30, 31, 32 i 33, wartości maksymalnych kątów składowych α1 = α2 = α3 = ±8°, a sumaryczne wychylenia, pokazane na fig. 31, kręgosłupa wynosi ±24°. Wychylone pozycje zespołów członów 4, 4’, 5 i 6 kręgosłupa są ograniczone przez sąsiadujące ze sobą kielichy 7, których zewnętrzna powierzchnia walcowa kielichów 8, w skrajnych położeniach, styka się z zewnętrzną powierzchnią walcową zakończenia czaszy 11 sąsiadującego kielicha 8.

Z kolei w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 33, przedstawiono wychylenie zespołu członu pośredniego 4’ względem przylegającego do niego członu dolnego 5, które wynosi α1 = 8°. Z kolei wychylenie α2 pomiędzy zespołami członów pośrednich 4 i 4’ ma wartość 8°. Natomiast wychylenie członu górnego 6 względem członu pośredniego jest w kierunku przeciwnym i wynosi α3 = -8°. Stąd sumaryczne wychylenie kręgosłupa, mierzone kątem wychylenia osi górnego zespołu 6 kręgosłupa względem osi dolnego zespołu kręgosłupa 5 wynosi α = 8°.

Kąty obrotów β poszczególnych zespołów członu pośredniego 4, zespół członu dolnego 5 i zespół członu górnego 6 wynalazku w płaszczyźnie prostopadłej do osi poszczególnych zespołów kręgosłupa są ograniczone przez sprężyste występy kolcowe 16 kielicha 8, które są umieszczone w wycięciach elastycznej opaski 10. W przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 29, maksymalna wartość kąta obrotu β zawierają się w przedziale ±6°.

Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego w przykładowej realizacji pokazanej na fig. 1, 2, 3, 30, 31, 32 i 33 zawiera dwa zespoły członów pośrednich 4 i 4’. W innych postaciach realizacji, w zależności od potrzeb może zawierać od jednego do ośmiu członów pośrednich 4.

Środki obrotu S sąsiadujących ze sobą zespołu członów 4, 4’, 5 i 6 kręgosłupa są oddalone od siebie w jednakowej odległości Rc , która w przykładzie pokazanym na fig. 31 i 33 ma wartość 43 mm.

Powierzchnia wewnętrzna czaszy 11 kielicha 8, pokazanego na fig. 13, w przekroju poprzecznym posiada zarys kołowy o promieniu Rk, którego środek Sk znajduje się na równoleżnikowej płaszczyźnie prostopadłej do jego osi. W przykładzie wykonania wartość promienia Rk, w przykładzie pokazanym na fig. 13, ma wartość 55 mm.

Czasza 11 kielicha 8 zawiera korzystnie jednakową ilość obwodowych wgłębień zewnętrznych 12 i wgłębień wewnętrznych 13. W przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 13, kielich 8 posiada dwanaście obwodowych wgłębień zewnętrznych 12 i dwanaście wgłębień wewnętrznych 13 przesuniętych względem siebie o kąt 15°.

Trzpienie zespołów członów kręgosłupa są wykonane ze stali chromowo-krzemowej 50HS, z materiału o bardzo dobrych właściwościach sprężystych, tj. wysokiej granicy sprężystości, dużej wartości stosunku granicy sprężystości do granicy plastyczności, dużej wytrzymałości na rozciąganie oraz dobrej wytrzymałości na zmęczenie i dużej odporności na korozję i zużycie ścierne. W innej postaci realizacji trzpienie zespołów członów kręgosłupa są wykonane ze stali krzemowej 50S2, a w kolejnej ze stali manganowej 65G. Istnieje możliwość wykonania zespołów członów kręgosłupa ze stali chromowo-krzemowej 50HS, lub ze stopu chromowo-wanadowego 51 CrV4 (1.8159), lub ze stopu chromowo-niklowego X 10CrNi88 (1.4310); lub ze stopu chromowo-molibdenowo-wanadowego X22 CrMoV 121 (1.4923), lub ze stopów tytanu Ti6A14V-PE-UHMW. W kolejnych realizacjach wykonania, trzpienie zespołów członów kręgosłupa są wykonane ze spiekanych proszków metali, w tym z tytanu lub magnezu jak również metodą wytwarzania przyrostowego.

W jednym z postaci wykonania kielich wykonano z poliamidu A, tworzywa sztucznego o dużej wytrzymałości mechanicznej, dużej odporności na ścieranie i dużej sprężystości. W innych realizacjach kielich może być wykonany z polipropylenu.

Torusowy pierścień odkształcalny oraz opaska elastyczną wykonano z elastomeru termoplastycznego TPE-U - materiału elastycznego. Pierścień ten w innych postaciach może być wykonany z gumy. W celu zwiększenia sprężystości wnętrze torusa jest dodatkowo wypełnione gumą techniczną EPDM (kauczuk etokylenowo-propylenowo-dienowy) odporną na wilgotność i wstrząsy.

Wykaz oznaczeń trzpień dolny trzpień górny trzpień pośredni pierwszy zespół członu pośredniego ’ drugi zespół członu pośredniego zespół członu dolnego zespół członu górnego pierścień odkształcalny kielich tulejka opaska elastyczna czasza kielicha obwodowe wgłębienia zewnętrzne kielicha obwodowe wgłębienia wewnętrzne kielicha obwodowe wgłębienia zewnętrzne czaszy kulistej otwór przelotowy sprężyste występy kolcowe występy w elastycznej opasce rowek obwodowy wypełnienie elastyczne pierścienia sześciokątne pogrubienie zewnętrzna powierzchnia walcowa wewnętrzna powierzchnia walcowa kula czasza kulista kołnierz trzpienia pośredniego (25a) i kołnierz trzpienia górnego (25b) rowek trzpienia wypust kielicha wewnętrzna powierzchnia czołowa kielicha powierzchnia czołowa kołnierza trzpienia pośredniego (29a) i górnego (29b) zewnętrzna powierzchnia czaszy kielicha powierzchnia czołowa tulei kołnierz trzpienia dolnego powierzchnia czołowa trzpienia dolnego

S - środek obrotu zespołu członów w płaszczyźnie osiowej kręgosłupa

Sk - środek promienia krzywizny kołowej profilu osiowego wewnętrznej powierzchni kielicha Rs - promień kuli

Rb - promień powierzchni wewnętrznej czaszy kulistej

Rc - promień obrotu zespołów członów w płaszczyźnie osiowej kręgosłupa

Rk - promień krzywizny kołowej profilu osiowego wewnętrznej powierzchni kielicha α1, α2, α3 - kąty wychylenia zespołów członów samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego α - sumaryczny kąt wychylenia samonośnego kręgosłupa robota humanoidalnego β - kąt obrotu zespołów członów kręgosłupa w płaszczyźnie prostopadłej do ich osi

Fp - siła oddziaływania odkształcalnego pierścienia na wewnętrzna powierzchnię czaszy kielicha kręgosłupa

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego zawierający współpracujące ze sobą człony znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden zespół członu pośredniego (4) oraz zespół członu dolnego (5) i zespół członu górnego (6), przy czym sąsiadujące ze sobą zespoły co najmniej jednego członu pośredniego (4), zespołu członu dolnego (5) i zespołu członu górnego (6), są ze sobą połączone przy pomocy połączeń kulistych, przy czym zespół członu pośredniego (4) zawiera trzpień pośredni (3) z przelotowym otworem osiowym (15), a trzpień pośredni (3) w części górnej jest zakończony kulą (23), zaś w części dolnej jest zakończony czaszą (24) o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rb, przebiegającej poza równik powierzchni kulistej, przy czym na zewnętrznej powierzchni czaszy (24) znajdują się równomiernie rozmieszczone pionowo po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne (14), a trzpień pośredni (3) powyżej zewnętrznej powierzchni czaszy (24) ma część walcową, na której w obwodowym rowku (18) osadzony jest na wcisk, odkształcalny pierścień (7) o profilu kołowym, a powyżej pierścienia (7) odkształcalnego trzpień pośredni (3) ma pogrubienie (20) o przekroju poprzecznym sześciokątnym, na które nałożona jest elastyczna opaska (10) z co najmniej jedną parą sprężystych występów (17) rozmieszczonych symetrycznie względem siebie, tworzących widełki, przy czym na części walcowej trzpienia pośredniego (3) jest osadzony kielich (8), którego wewnętrzna powierzchnia walcowa (22) jest spasowana z zewnętrzną powierzchnią walcową (21) trzpienia pośredniego (3), a wewnętrzna czołowa powierzchnia (28) kielicha (8) oparta jest na czołowej powierzchni (29a) kołnierza (25a) trzpienia pośredniego (3), a wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej (21), symetrycznie z obydwu stron są podłużne rowki (26), w których umieszczone są wypusty (27) kielicha (8) przebiegające wzdłuż wewnętrznej powierzchni walcowej (22), przy czym kielich (8) ma odkształcalną czaszę (11) zawierającą równomiernie rozmieszczone pionowe obwodowe wgłębienia zewnętrzne (12) kielicha (8) i pionowe obwodowe wgłębienia wewnętrzne (13) kielicha (8), a ponadto w części wewnętrznej czaszy (11) znajdują się dwa symetrycznie położone sprężyste występy kolcowe (16), które po połączeniu z co najmniej jednym zespołem członu pośredniego (4), zespołem członu dolnego (5) i zespołem członu górnego (6), umieszczone są pomiędzy sprężystymi występami (17) elastycznych opasek (10), przy czym zewnętrzna powierzchnia (30) czaszy (11) kielicha (8) w kształcie rowka obwodowego o przekroju kołowym przylega do zewnętrznej powierzchni torusowej pierścienia (7) odkształcalnego, a zespół członu górnego (6) zawiera trzpień górny (2), kielich (8) oraz opaskę elastyczną (10), przy czym trzpień górny (2) w części dolnej zakończony jest czaszą (24) o wewnętrznej powierzchni kulistej o promieniu Rb, przebiegającej poza równik powierzchni kulistej, a na zewnętrznej powierzchni czaszy (24) znajdują się równomiernie rozmieszczone pionowo po obwodzie obwodowe wgłębienia zewnętrzne (14), a w górnej części trzpień górny (2), powyżej zewnętrznej powierzchni czaszy (24), ma część walcową z zewnętrzną powierzchnią walcową (21), na której jest osadzona wewnętrzna powierzchnia walcowa (22) kielicha (8), przy czym wewnętrzna powierzchnia czołowa (28) kielicha (8) oparta jest na czołowej powierzchni (29b) kołnierza (25b) trzpienia górnego (2), a wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej (21) trzpienia górnego (2), symetrycznie z obydwu stron znajdują się podłużne rowki (26), w których umieszczono wypusty (27) kielicha (8) przebiegające wzdłuż wewnętrznej powierzchni walcowej (22), przy czym kielich (8) ma pionowe obwodowe wgłębienia zewnętrzne (12) i pionowe obwodowe wgłębienia wewnętrzne (13) wzdłuż osi na powierzchni zewnętrznej i na powierzchni wewnętrznej, a zespół członu dolnego (5) zawiera trzpień dolny (1), pierścień odkształcalny (7) oraz opaskę elastyczną (10), przy czym trzpień dolny (1) w części górnej jest zakończony kulą (23), zaś w części dolnej ma kołnierz (32) trzpienia dolnego (1), na którym osadzona jest tulejka (9), ponadto pierścień odkształcalny (7) oparty jest w rowku obwodowym (18) trzpienia dolnego (1) oraz na powierzchni czołowej (31) tulei (9) o profilu kołowym, a opaska elastyczna (10) z dwoma parami sprężystych występów (17), tworzącymi widełki, osadzona jest na pogrubieniu (20) trzpienia (1) o przekroju sześciokątnym, ponadto zespoły co najmniej jednego zespołu członu pośredniego (4), zespołu członu dolnego (5) i zespołu członu górnego (6) kręgosłupa są połączone ze sobą poprzez połączenia kuliste, w których powierzchnie zewnętrzne kul (23) trzpieni mają promień Rs i przylegają do powierzchni wewnętrznych czasz kulistych (24) trzpieni mających promieniu Rb, przy czym wartości promieni Rs i Rb są jednakowe.
2. 2. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że pierścień (7) odkształcalny stanowi powłokę w kształcie torusa, a wnętrze (19) pierścienia (7) odkształcalnego jest wypełnione materiałem elastycznym.
3. 3. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że obwodowe wgłębienia zewnętrzne (12) i obwodowe wgłębienia wewnętrzne (13) kielicha (8) są przesunięte symetrycznie względem siebie o połowę podziałki kątowej.
4. 4. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że para sprężystych występów (17) opaski elastycznej (10) w przekroju poprzecznym mają kształt ścianek łukowych odchylających się na zewnątrz względem występów i są wykonane z materiałów sprężystych.
5. 5. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zespoły członów pośrednich (4), oraz zespół członu dolnego (5) i zespół członu górnego (6), kręgosłupa są wychylne we wszystkich kierunkach o kąt α1, α2 i α3, a graniczne wychylenie kręgosłupa αjest sumą wychyleń kątów składowych α1, α2 i α3, przy czym wartości graniczne kątów składowych α1, α2 i α3, zawierają się korzystnie w przedziale od 6° do 12°.
6. 6. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zespoły członu pośredniego (4), członu dolnego (5) i członu górnego (6), są obrotowe o kąty β, które w płaszczyźnie prostopadłej do osi poszczególnych zespołów kręgosłupa są ograniczone przez sprężyste występy kolcowe (16) kielicha (8), które są umieszczone w wycięciach sprężystych występów (17) elastycznej opaski (10) i zawierają się korzystnie w przedziale ± 6°.
7. 7. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera od 1 do 8 zespołów członów pośrednich (4).
8. 8. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zespoły członu pośredniego (4), członu dolnego (5) i członu górnego (6) mają środki obrotu S sąsiadujących ze sobą zespołów członów oddalone od siebie w odległości Rc, korzystnie zawierającej się w przedziale od 5^Rs do 6^Rs.
9. 9. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że powierzchnia wewnętrzna czaszy (11) kielicha (8) w przekroju poprzecznym posiada zarys kołowy o promieniu Rk, którego środek Sk znajduje się na równoleżnikowej płaszczyźnie prostopadłej do jego osi, a wartość promienia Rk zawiera się w przedziale od 6^Rs do 8R
10. 10. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że czasza (11) kielicha (8) zawiera jednakową ilość obwodowych wgłębień zewnętrznych (12) i obwodowych wgłębień wewnętrznych (13), korzystnie w przedziale od 12 do 16 wgłębień.
11. 11. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że torusowy pierścień odkształcalny (7) oraz opaska elastyczna (10) są wykonane z materiału elastycznego.
12. 12. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 11, znamienny tym, że torusowy pierścień odkształcalny (7) oraz opaska elastyczna (10) są wykonane z elastomeru termoplastycznego TPE-U lub gumy.
13. 13. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że trzpień górny (1), trzpień dolny (2) i trzpień pośredni (3) oraz kielich (8) są wykonane z materiałów sprężystych odpornych na korozję i zużycie ścierne.
14. 14. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że kielich jest wykonany ze sprężystego tworzywa sztucznego,
15. 15. Samonośny kręgosłup robota humanoidalnego według zastrzeżenia 14, znamienny tym, że kielich jest wykonany z polipropylenu lub poliamidu A.