[发明专利]一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构

说明书

本发明涉及机器人领域，具体公开了一种刚‑柔‑软耦合的仿人机器人脊柱结构。该脊柱结构包括若干由刚性材料制成的椎体，所述的椎体依次层叠形成柱体，相邻两个椎体之间设有弹性软体；所述弹性软体上与椎体接触的表面向内凹陷形成凹腔，所述椎体上与弹性软体接触的表面设有与凹腔对应的凸起；所述的弹性软体包括中间体和环形套设在中间体外侧的环体，所述环体的流动性高于中间体的流动性。该脊柱结构弹性软体和椎体之间通过凹腔和凸起进行限位，降低在柱体弯曲时，弹性软体被挤出的风险。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构。

背景技术

仿人机器人，即模仿人的形态和行为而设计制造的机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。结构柔顺化是仿人机器人的发展趋势。从仿生学角度，结构的柔顺化设计使机器人的姿态更为灵活，更能体现类人的特征；从工程学角度，结构的柔顺化设计使机器人具有更大的工作空间，能适应复杂的操作任务。从人机共融角度，结构的柔顺化设计使得人机交互更为安全、可靠。此外，在非结构化工作环境中，仿人机器人不可避免的与环境发生交互、碰撞，而结构的柔顺化设计能为机器人带来缓冲和保护作用。

国内外学者还较少关注仿人机器人躯干的柔顺化设计，常把机器人的躯干简化为具有三个自由度的刚性体，导致机器人协调性差，平衡能力弱。实际上，人体脊柱是由骨骼、肌肉、关节以及韧带所组成的刚-柔-软耦合柔顺结构，能够进行屈伸、侧屈以及旋转等运动，担负着人体减震、运动、平衡和保护等功能。

公开号为CN 106272531A的中国发明专利公开了一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，包括尾椎、顶椎、中间椎，穿过中间椎的万向节链，万向节链将尾椎、顶椎和中间椎连成脊柱结构；所述尾椎、中间椎和顶椎上设有过线孔，过线孔内穿有绳索，并设置相应的电机控制绳索，通过电机控制绳索的生产量，以此来实现脊柱的偏转。该脊柱关节总成能实现多自由度的偏转，具有较好的结构柔顺性。但由于各椎体之间、各万向节之间的连接均为刚性连接，当机器人行走或跳跃时，相邻两节之间为刚性冲击，很容易造成脊柱结构的磨损；另外，机器人行走而产生的震动或环境震动均会降低各部件的工作稳定性，而刚性部件对震动的缓冲能力较弱，无法起到在一定程度上缓解震动，保护机器人各工作部件的作用。

另外公开号为CN 104875812B的中国发明专利公开了一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，包括弹性构件、刚性构件、俯仰方向拉紧绳索和偏转方向拉紧绳索。弹性构件和刚性构件交替排列并留有穿绳孔，绳索沿脊柱方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通过穿绳孔延伸到脊柱的前端。在进行弯曲动作时，刚性构件从一侧挤压弹性构件，以实现整个主体的弯曲。该脊柱能在一定程度上缓解机器人因行走而产生的震动，提高各部件的工作稳定性。但由于在脊柱弯曲的过程中，弹性构件的受力是不均匀的，被挤压侧边缘处所受的压力远大于中间部位，弹性构件在被挤压的过程中有被向远离被挤压侧挤出的风险。另外，由于弹性构件除了满足弯曲时压缩的要求，还需要满足在正常使用时的承重要求。而两种使用状况下对弹性构件的弹性性能要求是不同的，弯曲时需要有较好的可压缩性，而在承重时需要有较高的弹性模量，因此很难使用一种材料同时满足两种状况下的性能要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，弹性软体和椎体之间通过凹腔和凸起进行限位，降低在柱体弯曲时，弹性软体被挤出的风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，包括若干由刚性材料制成的椎体，所述的椎体依次层叠形成柱体，相邻两个椎体之间设有弹性软体；所述弹性软体上与椎体接触的表面向内凹陷形成凹腔，所述椎体上与弹性软体接触的表面设有与凹腔对应的凸起；所述的弹性软体包括中间体和环形套设在中间体外侧的环体，所述环体的流动性高于中间体的流动性；