[發明專利]一種剛-柔-軟耦合的仿人機器人脊柱結構

有效

• 申請號: 201710959803.3
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107598896B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 甘春標;葛一敏;田蔣仁;徐小峰;能一鳴;朱小京
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 喬占雄

本發明涉及機器人領域，具體公開了一種剛?柔?軟耦合的仿人機器人脊柱結構。該脊柱結構包括若干由剛性材料制成的椎體，所述的椎體依次層疊形成柱體，相鄰兩個椎體之間設有彈性軟體；所述彈性軟體上與椎體接觸的表面向內凹陷形成凹腔，所述椎體上與彈性軟體接觸的表面設有與凹腔對應的凸起；所述的彈性軟體包括中間體和環形套設在中間體外側的環體，所述環體的流動性高于中間體的流動性。該脊柱結構彈性軟體和椎體之間通過凹腔和凸起進行限位，降低在柱體彎曲時，彈性軟體被擠出的風險。

技術領域

本發明涉及機器人領域，尤其涉及一種剛-柔-軟耦合的仿人機器人脊柱結構。

背景技術

仿人機器人，即模仿人的形態和行為而設計制造的機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發展水平。結構柔順化是仿人機器人的發展趨勢。從仿生學角度，結構的柔順化設計使機器人的姿態更為靈活，更能體現類人的特征；從工程學角度，結構的柔順化設計使機器人具有更大的工作空間，能適應復雜的操作任務。從人機共融角度，結構的柔順化設計使得人機交互更為安全、可靠。此外，在非結構化工作環境中，仿人機器人不可避免的與環境發生交互、碰撞，而結構的柔順化設計能為機器人帶來緩沖和保護作用。

國內外學者還較少關注仿人機器人軀干的柔順化設計，常把機器人的軀干簡化為具有三個自由度的剛性體，導致機器人協調性差，平衡能力弱。實際上，人體脊柱是由骨骼、肌肉、關節以及韌帶所組成的剛-柔-軟耦合柔順結構，能夠進行屈伸、側屈以及旋轉等運動，擔負著人體減震、運動、平衡和保護等功能。

公開號為CN 106272531A的中國發明專利公開了一種仿真智能機器人的脊柱關節總成，包括尾椎、頂椎、中間椎，穿過中間椎的萬向節鏈，萬向節鏈將尾椎、頂椎和中間椎連成脊柱結構；所述尾椎、中間椎和頂椎上設有過線孔，過線孔內穿有繩索，并設置相應的電機控制繩索，通過電機控制繩索的生產量，以此來實現脊柱的偏轉。該脊柱關節總成能實現多自由度的偏轉，具有較好的結構柔順性。但由于各椎體之間、各萬向節之間的連接均為剛性連接，當機器人行走或跳躍時，相鄰兩節之間為剛性沖擊，很容易造成脊柱結構的磨損；另外，機器人行走而產生的震動或環境震動均會降低各部件的工作穩定性，而剛性部件對震動的緩沖能力較弱，無法起到在一定程度上緩解震動，保護機器人各工作部件的作用。

另外公開號為CN 104875812B的中國發明專利公開了一種用于四足機器人的四葉草形狀的剛度可調柔順脊柱，包括彈性構件、剛性構件、俯仰方向拉緊繩索和偏轉方向拉緊繩索。彈性構件和剛性構件交替排列并留有穿繩孔，繩索沿脊柱方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通過穿繩孔延伸到脊柱的前端。在進行彎曲動作時，剛性構件從一側擠壓彈性構件，以實現整個主體的彎曲。該脊柱能在一定程度上緩解機器人因行走而產生的震動，提高各部件的工作穩定性。但由于在脊柱彎曲的過程中，彈性構件的受力是不均勻的，被擠壓側邊緣處所受的壓力遠大于中間部位，彈性構件在被擠壓的過程中有被向遠離被擠壓側擠出的風險。另外，由于彈性構件除了滿足彎曲時壓縮的要求，還需要滿足在正常使用時的承重要求。而兩種使用狀況下對彈性構件的彈性性能要求是不同的，彎曲時需要有較好的可壓縮性，而在承重時需要有較高的彈性模量，因此很難使用一種材料同時滿足兩種狀況下的性能要求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種剛-柔-軟耦合的仿人機器人脊柱結構，彈性軟體和椎體之間通過凹腔和凸起進行限位，降低在柱體彎曲時，彈性軟體被擠出的風險。

為了解決上述技術問題，本發明提供的技術方案如下：一種剛-柔-軟耦合的仿人機器人脊柱結構，包括若干由剛性材料制成的椎體，所述的椎體依次層疊形成柱體，相鄰兩個椎體之間設有彈性軟體；所述彈性軟體上與椎體接觸的表面向內凹陷形成凹腔，所述椎體上與彈性軟體接觸的表面設有與凹腔對應的凸起；所述的彈性軟體包括中間體和環形套設在中間體外側的環體，所述環體的流動性高于中間體的流動性；