一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节

摘要

本发明提供的是一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，包含前脊柱、后脊柱、扭簧和驱动组件，前脊柱和后脊柱之间用扭簧和驱动组件连接，前脊柱包括卡座、光轴、滑块、弹簧和直线轴承，两个卡座对称固定安装在前脊柱上，两根光轴分别通过卡座上设置的光轴安装孔安装在两个卡座之间，所述滑块上有滑块安装孔，滑块安装孔中装配直线轴承，滑块通过直线轴承套在两根光轴上，每根光轴的滑块两侧各套有一根弹簧，后脊柱和前脊柱结构相同。本发明将现有机器人脊柱的弯曲和伸缩运动结合在一起，能够更好的模拟哺乳动物的脊柱的弹性运动，能够使机器人的运动更加稳定、更加协调。

权利要求

1.一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，包含前脊柱、后脊柱、扭簧和驱动组件，前脊柱和后脊柱之间用扭簧和驱动组件连接，其特征在于：前脊柱包括卡座、光轴、滑块、弹簧和直线轴承，两个卡座对称固定安装在前脊柱上，两根或三根光轴分别通过卡座上设置的光轴安装孔安装在两个卡座之间，所述滑块上有滑块安装孔，滑块安装孔中装配直线轴承，滑块通过直线轴承套在光轴上，每根光轴的滑块两侧各套有一根弹簧，后脊柱和前脊柱结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述驱动组件安装在前、后脊柱的下方，包括固定安装在前脊柱上的舵机、第一连杆、第二连杆和三个连杆基座，第一连杆的一端与舵机的输出轴连接、另一端与第二连杆基座固连，第二连杆基座固定安装在后脊柱上，第二连杆的一端与固定安装在前脊柱上的第一连杆基座铰接、另一端与固定安装在后脊柱上的第三连杆基座铰接。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述卡座为分体式。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述卡座上设置三个光轴安装孔，光轴对应有三根。

5.根据权利要求3所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述分体式卡座有三对，光轴对应有三根。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述的滑块上设置有安装对应躯干的安装孔。

7.根据权利要求3所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述的滑块上设置有安装对应躯干的安装孔。

8.根据权利要求4所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述的滑块上设置有安装对应躯干的安装孔。

9.根据权利要求5所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，其特征在于：所述的滑块上设置有安装对应躯干的安装孔。

说明书

一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机器人的脊柱关节，尤其涉及一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节。

背景技术

[0002] 随着机器人技术的迅猛发展，对能在复杂环境下行走的特种机器人的需求日益增加，相比于轮式机器人，足式机器人在行进中，能更好的适应非结构化、未知的环境，特别是仿生多足机器人，具有运动灵活、稳定性好的优势，在整个足式机器人研究领域中占有很大比重。

[0003] 目前关于绝大多数仿生多足机器人的研究，均是以刚性脊柱为模型，并不考虑系统构件的变形。但实际上运动生物的肌肉、腱和韧带像弹簧一样能够储存和释放能量，其运动过程中具有柔性变形，动力学形态复杂。特别是奔跑、跳跃的生物，如果采用纯刚性模型必定不能够合理地解释生物运动的力学性能，而且刚性模型，在运动过程中，必然导致能量的消耗较大，导致运动过程中能量的利用率下降，从而使机器人在快速行走的速度和效率提升上具有很大局限性。

[0004] 中国专利(CN20121077805.4)公布的一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，包括前脊柱部分、后脊柱部分、弹性关节部分和气动肌腱部分，其中所述前脊柱部分的一端通过弹性关节部分与后脊柱部分的一端连接，前脊柱部分的另一端通过气动肌腱部分与后脊柱部分的另一端连接，能实现弹性脊柱关节，但其结构复杂，且控制精度不好。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了更好的模拟哺乳动物的脊柱运动而提供一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：包含前脊柱、后脊柱、扭簧和驱动组件，前脊柱和后脊柱之间用扭簧和驱动组件连接，前脊柱包括卡座、光轴、滑块、弹簧和直线轴承，两个卡座对称固定安装在前脊柱上，两根光轴分别通过卡座上设置的光轴安装孔安装在两个卡座之间，所述滑块上有滑块安装孔，滑块安装孔中装配直线轴承，滑块通过直线轴承套在两根光轴上，每根光轴的滑块两侧各套有一根弹簧，后脊柱和前脊柱结构相同。

[0007] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0008] 1.所述驱动组件安装在前、后脊柱的下方，包括固定安装在前脊柱上的舵机、第一连杆、第二连杆和三个连杆基座，第一连杆的一端与舵机的输出轴连接、另一端与第二连杆基座固连，第二连杆基座固定安装在后脊柱上，第二连杆的一端与固定安装在前脊柱上的第一连杆基座铰接、另一端与固定安装在后脊柱上的第三连杆基座铰接。

[0009] 2.所述卡座为分体式。

[0010] 3.所述卡座上设置三个光轴安装孔，光轴对应有三根。

[0011] 4.所述分体式卡座有三对，光轴对应有三根。

[0012] 5.所述的滑块上设置有安装对应躯干的安装孔。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明避免了传统机器人的刚性躯干在运动过程中会消耗大量的能量，而使得运动过程中的能量的利用率下降，将现有机器人脊柱的弯曲和伸缩运动结合在一起，在机器人运动过程中，滑块通过压缩光轴两端的弹簧模拟脊柱的伸缩运动，并且伸缩运动无需驱动机构，是被动运动；弯曲运动时依靠舵机实现驱动连杆实现前后脊柱关节产生相对转动，扭簧增加了脊柱关节的柔顺性，因此，本发明能够更好的模拟哺乳动物的脊柱的弹性运动，能够使机器人的运动更加稳定、更加协调。

附图说明

[0014] 图1是本发明整体结构示意图；

[0015] 图2是本发明驱动组件结构示意图；

[0016] 图3是本发明滑块结构示意图；

[0017] 图4是本发明前脊柱部分组件示意图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0019] 实施案例一：结合图1和图2：本发明提供的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节包括前脊柱2、后脊柱1、驱动组件9和扭簧4，前脊柱2和后脊柱1的结构完全相同，前脊柱2和后脊柱1之间用扭簧4和驱动组件9连接，驱动组件9位于前脊柱2和后脊柱1连接位置的下方，扭簧4位于前脊柱2和后脊柱1连接位置的上方，则前脊柱2和后脊柱1在驱动组件9的驱动下能实现相对转动，在驱动组件9之间还并联了扭簧4来增加脊柱的柔顺性。

[0020] 如图2所示：所述驱动组件9包括固定安装在前脊柱上的舵机8、第一连杆7、第二连杆12和三个连杆基座6、10、11，其中6是第一连杆基座，10是第二连杆基座，11是第三连杆基座，第一连杆7的一端与舵机8的输出轴连接、另一端与第二连杆基座10固连，第二连杆基座10固定安装在后脊柱1上，第二连杆12的一端与固定安装在前脊柱2上的第一连杆基座6铰接、另一端与固定安装在后脊柱1上的第三连杆基座11铰接，连杆12主要起支撑作用。

[0021] 如图3和图4所示：前脊柱2包括卡座21、卡座22、卡座23、卡座24、卡座25、卡座17、光轴19，滑块3和弹簧18、弹簧20。卡座可设置成一体式或分体式，图4所示的是具有分体式卡座的前脊柱的结构示意图，共有六个卡座，光轴19也相应的设置成三根，用螺栓将卡座17、25、24、21、22、23成对称排列固定在前脊柱2上，卡座17与21、卡座22与25、卡座23与24分别将三根相同的光轴19卡住，第一滑块3上设置有与三根光轴配合的孔，则第一滑块3通过按照在所述孔内的直线轴承13、14、15套在三根光轴的中间，弹簧18、20套在光轴19的两端，也即每根光轴19的第一滑块3两侧各套有一根弹簧，滑块3和直线轴承13、14、15之间为过盈配合，自然状态下滑块3与卡座刚好卡住弹簧18、20，且弹簧18、20处于自然长度，滑块3可以在三根光轴上来回滑动。在模拟脊柱运动时，通过滑块3压缩弹簧18、20来模拟脊柱的伸缩运动，后脊柱1的结构与前脊柱2完全一样。这样的结构使得滑块在运动过程中更加稳定、牢固，分体式卡座方便根据使用需求进行选择。

[0022] 实施案例二：根据实施案例一所述的一种具有弯曲和伸缩功能的脊柱关节，将卡座21、卡座22、卡座23、卡座24、卡座25、卡座17设置成两个一体式卡座，则两个卡座对称布置在前脊柱2上，在一体式卡座上设置相应数量的光轴安装孔，则两个一体式卡座将相应数量的光轴卡住。

[0023] 所述的光轴可以设置成两个或三个，需要在卡座上设置于光轴数量对应的光轴安装孔，直线轴承的数量与光轴的数量相对应。

[0024] 动物在实际运动过程中，脊柱关节的伸缩运动和弯曲运动是同时存在的。该发明在模拟动物脊柱运动的过程中，前后脊柱会产生伸缩运动，这种运动为被动的，运动是在前后脊柱的惯性下使第一滑块3、第二滑块5压缩弹簧18和20来实现的。弯曲运动为主动的，这种运动是通过舵机8驱动连杆7、12使前后脊柱产生相对转动，从而实现脊柱关节的弯曲运动，在前后脊柱之间加入扭簧4，增加了脊柱关节的柔顺性。