CN106363642A - 一种仿人机器人躯干结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人躯干结构，其特征是：躯干结构是由各子单元串联构成，子单元具有圆柱状壳体，圆柱状壳体的顶面和底面设置为对称的斜面，使得圆柱状壳体在对称的两侧边中，一侧边为短边，另一侧边为长边；在各子单元的圆柱状壳体中设置有电机、编码器和驱动器，各子单元串联是指上层单元的底面与下层单元的顶面通过减速器的上下表面连接；设置在下层单元中的电机能够通过减速器驱动上层单元的圆柱状壳体进行转动，使得各子单元的短边处在同一侧，躯干呈弯曲；或使得相邻的两节子单元的短边分处在不同侧，躯干呈直立。本发明结构简单、易于控制、承载性好，能实现人类躯干的左右侧摆、前后俯仰以及腰部旋转三种典型姿态。

Description

一种仿人机器人躯干结构

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人躯干结构，更具体地说是为仿人机器人实现像人类躯干的左右侧摆、前后俯仰以及腰部旋转三种典型姿态而设计的一种机构。

背景技术

仿人机器人由头部、四肢和躯干构成，其中上肢实现抓取和操作，下肢实现行走，而躯干则具有支撑躯体和协调四肢的功能，对机器人实现良好的力学和运动性能具有极为重要的作用。以人类作为仿生设计的灵感来源，目前全世界范围内的研究者已对机器人四肢的仿生设计开展了大量的研究。但在躯干研究方面，虽然人类脊椎具有负载能力强、灵活度高、工作空间大等诸多优点，但因其高冗余关节的复杂结构，迄今未见相关文献的报道对其进行有效的仿生设计。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种结构简单、易于控制、承载性好的仿人机器人躯干结构，使仿人机器人实现人类躯干的左右侧摆、前后俯仰以及腰部旋转三种典型姿态。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明仿人机器人躯干结构的特点是：

所述躯干结构是由各子单元串联构成，所述子单元具有圆柱状壳体，所述圆柱状壳体的顶面和底面设置为对称的斜面，使得圆柱状壳体在对称的两侧边中，一侧边为短边，另一侧边为长边；

在所述各子单元的圆柱状壳体中设置有电机、编码器和驱动器，相邻的两节子单元中处在上一层的子单元为上层单元，处在下一层的子单元为下层单元,各子单元串联是指上层单元的底面与下层单元的顶面通过减速器在上下表面进行连接；设置在下层单元中的电机能够通过减速器驱动上层单元的圆柱状壳体进行转动，使得各子单元的短边处在同一侧，躯干呈弯曲；或使得相邻的两节子单元的短边分处在不同侧，躯干呈直立。

本发明仿人机器人躯干结构的特点也在于：所述减速器采用谐波减速器，谐波减速器的输入端通过螺钉与下层单元的顶板固定连接，谐波减速器的输出端通过螺钉与在上层单元的底板固定连接，谐波减速器的波发生器与设置在下层单元中的电机的输出轴固联；利用所述电机和谐波减速器实现相邻两节子单元的串联连接以及相对转对。

本发明仿人机器人躯干结构的特点也在于：设置腰部单元，在所述腰部单元中固定设置腰部单元电机，所述腰部单元电机通过腰部单元减速器驱动所述躯干结构中的末级子单元，使所述腰部单元与末级子单元串联连接，并能驱动末级子单元相对于腰部单元进行转动；设置所述腰部单元与末级子单元相贴合的面为水平面，使所述末级子单元是在水平面中发生转动。

本发明仿人机器人躯干结构的特点也在于：所述腰部单元减速器采用谐波减速器，所述腰部单元减速器的输入端通过螺钉与腰部单元的顶板固定连接，腰部单元减速器的输出端通过螺钉与末级子单元的底板固定连接，腰部单元减速器的波发生器与腰部电机的输出轴固联；利用所述腰部电机和腰部单元减速器实现腰部单元与末级子单元的串联连接，以及实现末级子单元相对于腰部单元的转对。

本发明仿人机器人躯干结构的特点也在于：所述子单元共有六节，为了使整个躯干结构的运动特性平稳，每节子单元圆柱状壳体的高度设为111mm，直径为100mm，所述斜面与水平面成8.5°。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用子单元面之间上下斜面旋转配合，实现了像人类躯干的左右侧摆、前后俯仰以及腰部旋转三种典型的运动姿态。

2、本发明结构简单、无复杂构件，易于控制，各子单元和腰部单元是由电机独立驱动，具有各自的独立自由度，其运动姿态多样；

3、本发明通过适当设置子单元的节数和各子单元的长度，使其总结构长度与人体躯干长度相当，并具有较大的运动范围；

4、本发明采用刚性材料，负载能力强，抗压性能好。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中躯干结构向右弯曲示意图；

图3为本发明中第一子单元示意图；

图4为本发明中第一子单元的法兰盖结构示意图；

图5为本发明中第一子单元的法兰套倒置结构示意图。

图中标号：1第一单元中的谐波减速器，2法兰盖，3法兰套，4驱动器，5第二单元谐波减速器；6周边螺钉孔，7电机，8编码器，9第一子单元，10第二子单元，11第三子单元，12第四子单元，13第五子单元，14第六子单元，15腰部单元，16侧壁穿线孔，17电机安装孔，18减速器输入端安装孔；19端板穿线孔，20减速器输出端安装孔。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例中仿人机器人躯干结构具有六节子单元和一个腰部单元，六节子单元分别是第一子单元9、第二子单元10、第三子单元11、第四子单元12、第五子单元13和作为末级的第六子单元14，腰部单元15为腰部旋转单元。为了使整个躯干结构的运动特性平稳，各子单元设成圆柱状壳体，圆柱状壳体的高度设为111mm,直径为100mm，圆柱状壳体的顶面和底面设置为对称的斜面，对称的斜面是指以水平面为对称中心的对称面，斜面与水平面成8.5°，这一结构形式使得圆柱状壳体在对称的两侧边中，一侧边为短边，另一侧边为长边。

在各子单元的圆柱状壳体中设置有电机、编码器和驱动器，相邻的两节子单元中处在上一层的子单元为上层单元，处在下一层的子单元为下层单元,各子单元串联是指上层单元的底面与下层单元的顶面通过减速器在上下表面进行连接；设置在下层单元中的电机能够通过减速器驱动上层单元的圆柱状壳体进行转动，使得各子单元的短边处在同一侧，躯干呈弯曲；或使得相邻的两节子单元的短边分处在不同侧，躯干呈直立。

减速器采用谐波减速器，谐波减速器的输入端通过螺钉与下层单元的顶板固定连接，谐波减速器的输出端通过螺钉与在上层单元的底板固定连接，谐波减速器的波发生器与设置在下层单元中的电机的输出轴固联；利用电机和谐波减速器实现相邻两节子单元的串联连接以及相对转对。

图3、图4和图5示出了第二子单元10的外部形状及其内部结构形式，其圆柱状壳体是由图4所示的法兰盖2和图5所示的法兰套3对扣形成，利用螺钉和分别设置在法兰盖2及法兰套3的周边上的四只周边螺钉孔6将法兰盖2与法兰套3固定连接；设置有编码器8和驱动器4的电机7利用螺钉和设置在法兰盖2的端板上的电机安装孔17固定安装在法兰盖2的端板上，在法兰套3的侧壁上开设有侧壁穿线孔16，在法兰套3和法兰盖2端板上分别设置有端板穿线孔19，在法兰套3和法兰盖2端板的中心分别设置有电机轴孔，使固定安装在圆柱状壳体中的电机7的输出轴通过电机轴孔凸伸，以便将电机输出轴与第二单元谐波减速器5的波发生器相连接。

图4所示，在法兰盖2的端板上设有减速器输入端安装孔18，第二单元谐波减速器5的输入端利用螺钉并通过减速器输入端安装孔18固定安装在法兰盖2的端板上，法兰盖2的端板是作为圆柱状壳体的顶板。

图5所示，在法兰套3的端板上设有减速器输出端安装孔20，第三单元中的谐波减速器的输出端利用螺钉并通过减速器输出端安装孔20固定安装在法兰套3的端板上，法兰套3的端板是作为圆柱状壳体的底板。

图1中所示的第一单元中的谐波减速器1，其减速器输入端固定安装在第一子单元9的法兰盖的端板上，其波发生器与第一子单元9中的电机输出轴相连接，其减速器输出端用于连接仿人机器人的头部结构。

如图1和图2出示本实施例中设置的腰部单元15，与各子单元相同的是，在腰部单元15中固定设置腰部单元电机，腰部单元电机通过腰部单元减速器驱动躯干结构中的末级子单元，即第六子单元14，使腰部单元15与第六子单元14串联连接，并能驱动第六子单元14相对于腰部单元进行转动；设置腰部单元与第六子单元14相贴合的面为水平面，使第六子单元14是在水平面中发生转动；腰部单元减速器同样采用谐波减速器，腰部单元减速器的输入端通过螺钉与腰部单元的顶板固定连接，腰部单元减速器的输出端通过螺钉与第六子单元14的底板固定连接，腰部单元减速器的波发生器与腰部电机的输出轴固联；利用腰部电机和腰部单元减速器实现腰部单元与第六子单元14的串联连接，以及实现第六子单元14相对于腰部单元的转对，腰部单元15的底部与仿人机器人腿部连接，利用腰部电机的转动，实现整个躯干结构的旋转功能，使机器人躯干能像人类躯干那样有一个大的运动范围。

当躯干需要向一侧弯曲时，六个子单元的电机轴通过谐波减速器减速后，带动各自相邻的上一层子单元进行转动，将圆柱状壳体的短边共同旋转到右侧，形成如图2所示的向右弯曲的状态；利用腰部电机的转动带动整个机构旋转，从而实现像人类躯干的左右侧摆、前后俯仰以及腰部旋转三种典型运动。

Claims (5)

1.一种仿人机器人躯干结构，其特征是：

所述躯干结构是由各子单元串联构成，所述子单元具有圆柱状壳体，所述圆柱状壳体的顶面和底面设置为对称的斜面，使得圆柱状壳体在对称的两侧边中，一侧边为短边，另一侧边为长边；

在所述各子单元的圆柱状壳体中设置有电机、编码器和驱动器，相邻的两节子单元中处在上一层的子单元为上层单元，处在下一层的子单元为下层单元,各子单元串联是指上层单元的底面与下层单元的顶面通过减速器在上下表面进行连接；设置在下层单元中的电机能够通过减速器驱动上层单元的圆柱状壳体进行转动，使得各子单元的短边处在同一侧，躯干呈弯曲；或使得相邻的两节子单元的短边分处在不同侧，躯干呈直立。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人躯干结构，其特征是：所述减速器采用谐波减速器，谐波减速器的输入端通过螺钉与下层单元的顶板固定连接，谐波减速器的输出端通过螺钉与在上层单元的底板固定连接，谐波减速器的波发生器与设置在下层单元中的电机的输出轴固联；利用所述电机和谐波减速器实现相邻两节子单元的串联连接以及相对转对。

3.根据权利要求1或2所述的仿人机器人躯干结构，其特征是：设置腰部单元，在所述腰部单元中固定设置腰部单元电机，所述腰部单元电机通过腰部单元减速器驱动所述躯干结构中的末级子单元，使所述腰部单元与末级子单元串联连接，并能驱动末级子单元相对于腰部单元进行转动；设置所述腰部单元与末级子单元相贴合的面为水平面，使所述末级子单元是在水平面中发生转动。

4.根据权利要求3所述的仿人机器人躯干结构，其特征是：所述腰部单元减速器采用谐波减速器，所述腰部单元减速器的输入端通过螺钉与腰部单元的顶板固定连接，腰部单元减速器的输出端通过螺钉与末级子单元的底板固定连接，腰部单元减速器的波发生器与腰部电机的输出轴固联；利用所述腰部电机和腰部单元减速器实现腰部单元与末级子单元的串联连接，以及实现末级子单元相对于腰部单元的转对。

5.根据权利要求1所述的仿人机器人躯干结构，其特征是：所述子单元共有六节，为了使整个躯干结构的运动特性平稳，每节子单元圆柱状壳体的高度设为111mm，直径为100mm，所述斜面与水平面成8.5°。