可转弯和改变机体大小的脊柱机构

摘要

本发明提供一种可转弯和改变机体大小的脊柱机构，包括两个躯干板、呈左右对角对称且设置在两个躯干板端部间的两个转动伸缩模块，每个转动伸缩模块包括电机座、安装在电机座上的电机、通过联轴器与电机输出轴连接的丝杠、安装在丝杠上的带销螺母、螺母座，所述带销螺母的两个销轴端分别通过轴承与螺母座连接，所述电机座上还设置有光杠，光杠端部设置有套管，套管外部设置有带销套管，带销套管的两个销轴端分别通过轴承与螺母座连接。本发明可以实现四足机器人通过脊柱关节进行不同方向的转弯运动；本发明可以通过脊柱关节的伸缩来实现机器人机体大小的改变；本发明通过改变脊柱关节的运动方向，简化了四足机器人步态的计算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可转弯和改变机体大小的脊柱机构，属于仿生机器人领域。

背景技术

目前关于绝大多数仿生多足机器人的研究，均是以刚性躯干为主，并不含有脊柱关节，不考虑脊柱关节在实际生物中的作用。转弯是猫科动物脊柱的主要功能之一。考虑脊柱关节的，目前大多数的研究都集中在脊柱关节的蓄能和上下运动上，而不考虑脊柱关节的转弯功能，导致脊柱关节一个重要的功能被埋没。仿生机器人的灵活性取决于具有良好机械性能的身体结构，目前许多仿生机器人都不具备转弯功能，具有转弯功能的一般都靠腿部电机的协同作用实现，这要经过复杂的运算，而且电机的协同作用比较难实现，仿生机器人的步态也不好控制，总之效果都非常的有限，这样还会导致腿部受到很大的应力作用。

中国专利(CN102673674A)公开的一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，该机构在脊柱转动关节上安装两个左右对称的扭簧，脊柱关节的转动与扭簧的弯曲约束在一起，通过气动肌腱的主动伸缩来控制脊柱关节的转动。这是比较成熟的脊柱关节，但是还是实现不了脊柱关节的转弯功能，具有比较明显的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了针对现有技术的不足，参照猫科动物的脊柱结构而提供一种可转弯和改变机体大小的脊柱机构。

本发明的目的是这样实现的：包括两个躯干板、呈左右对角对称且设置在两个躯干板端部间的两个转动伸缩模块，每个转动伸缩模块包括电机座、安装在电机座上的电机、通过联轴器与电机输出轴连接的丝杠、安装在丝杠上的带销螺母、螺母座，所述带销螺母的两个销轴端分别通过轴承与螺母座连接，所述电机座上还设置有光杠，光杠端部设置有套管，套管外部设置有带销套管，带销套管的两个销轴端分别通过轴承与螺母座连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.带销螺母与带销固定套是平行设置的。

2.当两个转动伸缩模块同时进丝或退丝完成脊柱机构大小的改变；当两个转动伸缩模块一个进丝、另一个退丝完成脊柱机构的转弯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：目前四足机器人大多都是不具有脊柱关节的，具有脊柱关节的大多都是上下运动的，不具备转弯功能，从而忽略了动物脊柱关节的一个重要作用。本发明可以实现四足机器人通过脊柱关节进行不同方向的转弯运动；本发明可以通过脊柱关节的伸缩来实现机器人机体大小的改变；本发明通过改变脊柱关节的运动方向，简化了四足机器人步态的计算。

附图说明

图1为本发明原理结构图示意图；

图2为本发明脊柱关节原始状态示意图；

图3为本发明脊柱关节伸展状态示意图；

图4为本发明脊柱关节收缩状态示意图；

图5为本发明脊柱关节转弯状态示意图。

图中：1、电机座，2、电机，3、联轴器，4、光杠，5、丝杠，6、套管，7、带销螺母，8、轴承，9、带销固定套，10、螺母座，11、机器人躯干板。

具体实施方式

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。

本发明是一种可转弯和改变机体大小的脊柱机构，由左右对角对称的两个转动伸缩模块组成，两个模块由机器人的躯干板11相连接，然后作为机器人的一部分；其中一个模块如图1所示，上部分有丝杠螺母结构组成，是主动结构，带销螺母7是带有销结构的，通过轴承8与螺母座10相连接，可以实现螺母与螺母座的相对转动，丝杠5的一端与螺母相连接，实现进给运动，另一端通过联轴器3实现与电机的连接，电机2为丝杠运动提供动力，电机安装在电机座1上，与机器人躯干板11相连接；下部分由套管光杠滑动机构组成，是被动机构，保证脊柱关节的结构稳定、可靠，套管一端与带有销结构的固定套过盈配合，使其不会自由转动，带有销结构的固定套9通过轴承与螺母座10相连接，实现套管的转动，光杠4一端与套管6连接，实现光杠4与套管6的相对滑动，另一端固定在电机座1上。更为具体的说本发明的转动伸缩模块由上下轴平行的丝杠螺母结构和套管光杠滑动结构组成；丝杠螺母结构是由带销螺母7、丝杠5、联轴器3、电机2组成，带销螺母7通过轴承8与螺母座10相连接，实现丝杠螺母结构的转动，丝杠5与螺母7相配合，机转动带动丝杠螺母转动，实现丝杠螺母结构的进给运动，螺母7与丝杠5的进给运动实现了脊柱关节位置姿态的变化，丝杠5另一端与联轴器3相连接，联轴器3另一端与电机2相连接，电机2通过联轴器3将动力传输给丝杠5，实现动力传递，电机2安装在电机座1上边，实现电机的固定，电机座1还有肋板结构来增强电机座的强度，电机座1与机器人躯干板11刚性连接；套管光杠滑动结构是由带销固定套9、套管6、光杠4组成，带销固定套9通过轴承8与螺母座10相连接，可以实现带销固定套9的转动，带销固定套9是和带销螺母7轴平行安装的，保证两个结构的同步转动，套管6是和带销固定套9过盈配合的，保证其刚性连接，光杠4可以在套管6内滑动，这个运动是被动的，其动力是来自于丝杠螺母的进给运动，是为了保障脊柱关节的稳定性，光杠4的另一端与电机座1相连接，这也实现了套管光杠滑动结构与丝杠螺母结构的同步运动。

如图2所示，此时为脊柱关节的原始状态，留有一定的进给余量是因为在脊柱转弯时，需要两边进行不同的动作，这会在具体实施方式二中展现；图3是脊柱关节的伸展状态，此时的机器人机体达到最大，由图2到图3，需要A部分的丝杠螺母结构和B部分的丝杠螺母结构同时转动，相当于退丝的过程，在这个过程中，机器人的机体是不断变大的，到达图3的状态时，机器人的机体达到最大；图4是脊柱关节的收缩状态，此时的机器人机体达到最小，由图2到图4，需要A部分的丝杠螺母结构和B部分的丝杠螺母结构同时转动，相当于进丝的过程，在这个过程中，机器人的机体是不断变小的，到达图3的状态时，机器人的机体达到最小；在图2到图3到图4的变化过程中，机器人机体的大小是不断变化的，在这个过程中，可以根据需要选择最佳的机器人机体的尺寸，已到达最优的运动。

如图5所示，为脊柱关节转弯时的状态图，由图2到图5，需要A部分的丝杠螺母结构和B部分的丝杠螺母结构同时转动，但是A部分的丝杠螺母结构为退丝过程，而B部分的丝杠螺母结构为进丝过程，带销螺母7和带销固定套9同时转动，保证A部分和B部分的平行稳定，实现脊柱关节的转弯，也就是仿生机器人的转弯过程，A部分的丝杠螺母结构和B部分的丝杠螺母结构反向运动，就实现了机器人的直线行走；如果一开始A部分的丝杠螺母结构和B部分的丝杠螺母结构反向运动，就会实现脊柱关节向另一个方向的转弯，从而实现机器人的不同方向的转弯运动。