CN116038672A - 机器人腰部机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种机器人腰部机构及机器人。机器人腰部机构包括执行器和二传动机构。执行器包括本体，本体两侧皆设有第一动力输出环和第二动力输出环，而二传动机构设置于本体的两侧，并分别设有输出杆。二传动机构的输出杆可分别在第一动力输出环和第二动力输出环的带动下，沿本体的重力方向上下摆动，以及相对本体的相对二侧左右摆动。因此，在本申请实施例中，通过四个输出环的驱动变化，可使二输出杆产生相对应的前后转动或摆动，实现机器人于行走过程中所需的前后及左右摆动。

Description

机器人腰部机构及机器人

技术领域

本申请涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人腰部机构及机器人。

背景技术

腰部的驱动结构用以支撑、连接人形机器人的上半身和下半身，并控制腰部的相关运动。目前机器人的腰部执行器往往只有仰俯方向的自由度，或者通过水平方向放置的执行器来实现腰部转动的自由度，使得人形机器人腰部的运动形态有限，动作上也较不灵活，从而影响人形机器人的仿真度。

发明内容

本申请的多个方面提供一种机器人腰部机构及机器人，通过第一动力输出环和第二动力输出环的转动变化，可实现腰部多方向转动的自由度，使机器人腰部产生转动或摆动变化。

本申请实施例提供一种机器人腰部机构，包括执行器、二框架以及二传动机构。所述执行器包括本体，所述本体的相对二侧皆设置有第一动力输出环和第二动力输出环，分别沿所述本体的轴向设置，并且可相对所述本体转动；二所述框架分别沿所述轴向套设于所述本体的相对二侧，且各所述框架具有沿所述本体的径向向外延伸的传动部；二所述传动机构一对一的设置于二所述框架的所述传动部，各所述传动机构包括输出杆、转轴和二连动组件，所述转轴转动安装于所述传动部，并且转动套接于所述输出杆上，二所述连动组件转动连接于所述转轴的相对两端，且二所述连动组件的其中一端分别枢接于所述输出杆的相对二侧，其中一所述连动组件的另一端枢接于所述本体相对二侧的二所述第一动力输出环之间，而另一所述连动组件的另一端枢接于所述本体相对二侧的二所述第二动力输出环之间。

在一些实施例中，所述连动组件包括摆动件、第一连杆和第二连杆，所述摆动件包括相对的第一端和第二端，所述第一连杆枢接于所述第一端与所述输出杆之间，一所述传动机构的所述第二连杆枢接于所述第二端和所述第一动力输出环之间，另一所述传动机构的所述第二连杆枢接于所述第二端和所述第二动力输出环之间。

在一些实施例中，所述转轴包括轴筒、第一轴套和第二轴套，第一轴套和第二轴套分别固定于所述轴筒的相对二侧，所述轴筒转动套接于所述输出杆，其中所述第一轴套穿过并转动安装于所述传动部，所述摆动件在所述第一端和所述第二端之间设置有套接孔，二所述连动组件分别通过所述套接孔转动套设于相对应的所述第一轴套和所述第二轴套。

在一些实施例中，所述输出杆包括轴杆和操作杆，所述轴杆具有相对的头端和尾端，所述头端转动插接于所述轴筒内，所述尾端连接于所述操作杆的一端，所述操作杆的另一端具有用于对外连接的套接部。

在一些实施例中，所述尾端的相对二侧分别设置有转接部，所述第一连杆的一端枢接于所述转接部，另一端朝所述操作杆的方向枢接于所述第一端，所述摆动件倾斜连接于所述第一连杆和所述第二连杆之间。

在一些实施例中，所述输出杆还包括轴承、轴承锁定板和控制电路组件，所述轴承在所述轴筒内套设于所述轴杆上，所述轴承锁定板压合于所述轴承上，所述控制电路组件固定于所述轴承锁定板上。

在一些实施例中，所述第一连杆为的相对二端分别设置有球形销，所述第二连杆的相对二端分别设置有关节轴承。

在一些实施例中，所述第一动力输出环的外周面设置有向外延伸的第一动力输出点，且所述第二动力输出环的外周面设置有向外延伸的第二动力输出点，所述第二连杆枢接于相对应的所述第一动力输出点或所述第二动力输出点。

在一些实施例中，二所述框架的所述传动部在所述轴向上不重叠。

本申请实施例还提供一种机器人，包括上述其中之一所述的机器人腰部机构。

在本申请实施例中，二第一动力输出环和二动力输出环分别通过两连动组件带动对应输出杆相对转轴左右摆动，或者输出杆与转轴一起相对执行器本体上下摆动，从而利用二输出杆产生的这些动作的结合，实现机器人腰部所需的前后及左右摆动等动作。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的执行器的前视图。

图2为本申请实施例的执行器的右侧视图。

图3为图2沿A-A剖面线的剖视图。

图4为本申请实施例的执行器的分解示意图。

图5为本申请实施例的支撑架的示意图。

图6为本申请实施例的机器人腰部机构的分解示意图。

图7为本申请实施例的机器人腰部机构的侧视图。

图8为本申请实施例的机器人腰部机构的前视图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1至图5，本申请实施例所提供的执行器1适用于机器人的腰部位置，用以支撑、连接于机器人的躯体上方和躯体下方之间，并且提供相应的自由度，以驱动机器人执行腰部的相关动作。执行器1包括本体10和二驱动机构20。本体10包括安装主体11和同轴设置的二第一传动轴12，二第一传动轴12对称的设置于安装主体10上，且二第一传动轴12向外延伸的末端分别穿出安装主体11的相对二侧面，并于各个末端上套设有第二传动轴13。其中，二第一传动轴12末端的端面和第二传动轴13之间分别组设有第一太阳齿轮14，且第一太阳齿轮14可被相对应的第一传动轴12带动而同步转动。此外，第二传动轴13可在第一传动轴12上转动，并且设置有第二太阳齿轮15，第二太阳齿轮15可通过中间连接件的过渡连接方式而与第二传动轴13相连接。

二驱动机构20以相互对称的方式，沿第一传动轴12的轴向分别设置于安装主体10的相对二侧，即本体的左右两侧，并通过行星齿轮固定柱92和轴承的设置进行轴向定位。各个驱动机构20皆包括传动机构3、动力输出组件22、动力源23和支撑架24所组成。其中，传动机构3包括上述的第一太阳齿轮14、第二太阳齿轮15以及行星轮组21。行星轮组21包括第一行星齿轮211和第二行星齿轮212，动力输出组件22包括第一动力输出环221和第二动力输出环222，动力源23包括沿第一传动轴12的径向对称设置在安装主体11内的相对二侧的第一电机组件231和第二电机组件232，而支撑架24包括两个圆形的安装部240、第一安装柱241、第二安装柱242和限位件243。

支撑架24设置在安装主体11上，且两个安装部240为间隔设置的平面结构。第一安装柱241和第二安装柱242位于两个安装部240之间，其可以是但不局限于沿第一传动轴12的圆周上向间隔排列，并且在第一传动轴12的径向上分别位于第一传动轴12的相对两侧。第一安装柱241和第二安装柱242可以通过螺锁或焊接等方式分别固定于两安装部240的内侧，而设有第一安装柱241的安装部240再通过螺锁的方式固定于第二安装柱242上。此外，设有第一安装柱241的安装部240上还设置有可拆卸的限位件243，用以和第一传动轴12的末端连接固定，且限位件243和此安装部240之间设有轴承，使限位件243可相对于此安装部240转动，其中第一传动轴12的末端穿过两安装部而枢接在限位件243上。

第一行星齿轮211可通过一个或多个轴承而可枢转的套设在第一安装柱241上，并且啮合于第一太阳齿轮14，而第二行星齿轮212同样可透过一个或多个轴承而枢接于第二安装柱2421上，并且啮合于第二太阳齿轮15。

在一些实施例中，行星轮组21也可以由多个第一行星齿轮211和多个第二行星齿轮212所组成。例如：其中一安装部240上设有多个环状排列的第一安装柱2411，另一安装部240上设有多个环状排列并与第一安装柱241交错排列的第二安装柱242，使得多个第一行星齿轮211和多个第二行星齿轮212分别安装于第一安装柱241和第二安装柱242后，沿第一传动轴12的转动方向交错排列而相互错开并且对称设置。其中，第一动力输出环221和第二动力输出环222皆为内周面设置有内齿的齿圈。第一动力输出环221围绕于多个第一行星齿轮211外，并啮合于各个第一行星齿轮211，而第二动力输出环222则围绕于多个第二行星齿轮222外，并啮合于各个第二行星齿轮212，且第二动力输出环222经由钢丝轴承锁定压环91和轴承而安装在安装部240上。

因此，第一动力输出环221可以在第一太阳齿轮14驱动第一行星齿轮211转动时，跟随第一行星齿轮211同步转动。第二动力输出环222可以在第二太阳齿轮15驱动第二行星齿轮212转动时，跟随第二行星齿轮212同步转动，以此在安装主体11上形成减速机构并完成动力的传递。

第一电机组件231包括第一电机2311、第一磁力件2312和第一控制模块2313。第一电机2311可以是但不局限于伺服电机，连接于第一传动轴12，并且用来驱动第一传动轴12转动。第一磁力件2312为磁铁或其它可产生磁场的组件，固定于第一传动轴12上，并且可在随第一传动轴12同步转动的过程中产生第一磁场变化信号。第一控制模块2313可以是但不局限于电路板，其可透过螺丝而固定于安装主体11上，并分别电性连接于第一电机2311和第一磁力件2312。因此，第一控制模块2313可以控制第一电机2311的运作，同时用以接收所述第一磁场变化信号。

第二电机组件232与第一电机组件231的结构相同，但连接位置不同。第二电机组件232包括第二电机2321、第二磁力件2322和第二控制模块2323。第二电机2321连接于第二传动轴13，并且用来驱动第二传动轴13转动，而第二磁力件2322可通过螺丝固定于第二传动轴13上，并可在随第二传动轴13同步转动的过程中产生第二磁场变化信号。第二控制模块233分别电性连接于第二电机2321和第二磁力件2122，用以控制第二电机2321的运作以及接收第二磁场变化信号。在一些实施例中，安装主体11还可以设置有线槽，供第一控制模块2313和第二控制模块2323的线缆容置及走线，以便于连接至其它执行器或电源，同时具有保护线缆的功效，而可避免机器人机构于作动过程造成线缆损坏。

以下通过一些实施例说明第一动力输出环221和第二动力输出环222分别在第一电机组件231和第二电机组件232的作用下的作动流程。

本申请实施例的第一动力输出环221作动流程如下，当第一控制模块2313控制第一电机2311运作时，第一传动轴12会受第一电机2311的驱动而带动第一太阳齿轮14转动，第一太阳齿轮14再连动第一行星齿轮211转动，使第一行星齿轮211连动第一动力输出环221转动(经由各齿轮和齿环形成的减速机构，达到降低转速及提高扭力的效果)。同时，第一传动轴12上的第一磁力件2312因同步转动而产生第一磁场变化信号，并将此信号传输至第一控制模块2313，使第一控制模块233可根据磁场的变化，感应第一动力输出环221的运动状态而反馈至控制端，以便作为位置纪录以及运动状态的检测，并且可通过电路控制而使其完成对执行器1的闭环控制(根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式)。其中，控制端为机器人的控制系统，连接至第一控制模块233而可控制其运作。

可以理解的，本申请实施例的第二动力输出环222作动流程与第一动力输出环221相似，当第二控制模块2323控制第二电机2321运作时，第二传动轴13会受第二电机2321的驱动而带动第二太阳齿轮15转动，第二太阳齿轮15再连动第二行星齿轮212转动，使第二行星齿轮212连动第二动力输出环222转动。同时，第二传动轴13上的第二磁力件2322因同步转动而产生第二磁场变化信号，并将此信号传输至第二控制模块2323，使第二控制模块2323可根据磁场的变化，感应第二动力输出环222的运动状态而反馈至控制端。

在本实施例中，第一动力输出环221和第二动力输出环222的外周面分别设置有向外延伸的第一动力输出点22A和第二动力输出点22B，用以与外部连杆相互枢接，从而带动外部连杆运动。例如：分别为球头销，且第一动力输出环221上的第一动力输出点22A和第二动力输出点22B分别对应于第二动力输出环222上的第一动力输出点22A和第二动力输出点22B，并且第一动力输出环221上的第一动力输出点22A和第二动力输出点22位于支撑架24的一侧，第二动力输出环222上的第一动力输出点22A和第二动力输出点22B位于支撑架24的另一侧，并且和第一动力输出环221的第一动力输出点22A和第二动力输出点22B对称设置。因此，使二驱动机构20可以通过两个第一动力输出点22A和两个第二动力输出点22B分别连接外部连杆机构而可连动机器人运动，并透过两个第一电机231和两个第二电机232分别控制四个输出点产生同步或异步转动，可使机器人腰部具有较高的自由度，并达到弯腰、摆动腰部等动作。

由以上说明可知，本申请实施例通过四组电机和控制模块，可对每个动力输出环的转动状态进行调整，从而连动外部连杆机构完成更多的自由度，使机器人的腰部可产生弯腰、摆动或扭转腰部等接近真实人体腰部的动作，从而提高机器人的仿真度，并且根据磁场变化所感应出的运动状态和位置纪录，进一步获得机器人的腰部运动状态。另外，由于二驱动机构为对称设计，动力输出和减速齿轮机构的零件可部份通用，在零件制造加工上相对便利，同时可降低制造成本。

请参阅图6至图8，本申请实施例还提供一种机器人腰部机构100，包括二框架2、二传动机构3和上述的执行器1。各个框架2包括呈环状结构并转动套接在执行器1的本体10上，且外侧设置有传动部40。二框架2分别沿本体10的轴向套设于本体10上相对的左右二侧，传动部40则沿着本体10的径向向外延伸，且二框架2的传动部40在轴向上是彼此错开而不重叠，例如分别靠近本体10的前侧和后侧。

二传动机构3分别设置于二框架2的传动部40上，且每一传动机构3包括输出杆50、转轴60和二连动组件70。

输出杆50包括轴杆521、操作杆522、轴承53、轴承锁定板54和控制电路组件55。轴杆521具有相对的头端521A和尾端521B，其中，尾端521B连接于操作杆522上，并且在尾端521B的相对两侧分别设置有转接部523。操作杆522远离轴杆521的一端具有环形的套接部5221，用于铰接于髋关节等机器人的下肢结构。

转轴60包括轴筒601、第一轴套61和第二轴套62，其中第一轴套61穿过并转动连接其中一传动部40而对应于轴筒601的一侧，而第二轴套62则对应于同一轴筒601的另一侧。在本实施例中，轴筒601于径向上设置有相对的二侧面，分别设有多个螺孔，而第一轴套61和第二轴套62分别设有相对应的穿孔，通过螺丝穿设穿孔而锁合于螺孔中，使第一轴套61和第二轴套62锁固于轴筒601的相对二侧。当然，在其它可能的实施例中，轴筒601、第一轴套61和第二轴套62也可以是一体成型的结构。

其中，头端521A向外延伸至轴筒601内，且轴筒601内可设置有一个或多个轴承53，用以供头端521A套设安装定位，使轴杆521与轴筒601可相对转动连接。此外，轴承锁定板54可透过螺锁而固定于轴筒601上，并压合于轴承53上，使控制电路组件55可透过卡合或锁合等方式固定于轴承锁定板54上，从而完成输出杆50和转轴60的组装。每一连动组件70包括摆动件71、二个第一连杆72和二个第二连杆73。摆动件71包括第一端711和第二端712，分别位于摆动件71相对的两端，且第一端711和第二端712之间还设置有套接孔713。在同一传动机构3中，二连动组件70的摆动件71分别以套接孔713套设于第一轴套61和第二轴套62，且第一连杆72的一端枢设于轴杆521的其中一转接部523，另一端则朝向操作杆522的方向而枢接于摆动件71的第一端711，而第二连杆73的一端枢接于摆动件71的第二端，另一端则枢接于第一动力输出点22A或第二动力输出点22B。例如，其中一传动机构3的第二连杆73枢接于第一动力输出点22A，另一传动机构3的第二连杆73枢接于第二动力输出点22B。

在本实施例中，靠近本体10前侧的传动机构3是将二个第二连杆73的一端分别枢接于二摆动件71的第二端712，另一端则分别枢接于二个第一动力输出环221的第一动力输出点22A，使连动组件70位于本体10相对二侧的第二动力输出环222之间。而靠近本体10后侧的另一传动机构3则将二个第二连杆73的一端分别枢接于摆动件71的第二端712，另一端则分别枢接于二个第二动力输出环222的第二动力输出点22B，使连动组件70位于本体10相对二侧的第一动力输出环221之间。总的来讲，机器人腰部机构100有两个传动机构3，每个传动机构3的连动组件70有两个第二连杆73，因此机器人腰部机构100共有四个第二连杆73，这四个第二连杆73分别连接于执行器1的四个动力输出点。当然，在其它可能的实施例中，二传动机构3与第一动力输出环221和第二动力输出环222的枢接位置也可相互调换，端视使用需求而定。

在一些实施例中，第一连杆72和第二连杆73的相对两端还设置有轴承或接头等枢转组件，并于对应的连接处设置有可相互配合的组件，使连杆可快速的组装并达到多方向运动。例如：第一连杆72的相对两端分别设置有球形销721，转接部523和摆动件71的第一端711则分别为相对应的球座，使第一连杆72可于转接部523和第一端711之间多方向运动。或第二连杆73的相对两端则分别设置有关节轴承731，枢接于摆动件71和输出点后可达到旋转与摆荡运动。

由以上说明可知，本申请实施例通过二驱动机构20共四个电机的驱动，而可分别带动二个第一动力输出环221和二个第二动力输出环222的转动、停止和转向，使各个第一动力输出点22A和各个第二动力输出点22B分别带动各个第一连杆72和各个第二连杆73产生多种运动变化，从而使输出杆50产生转动或摆动等动作。

值得一提的是，本申请实施例的输出杆50连接至机器人的髋关节及以下结构上，当各个第一连杆72和各个第二连杆73带动输出杆50产生转动或摆动时，则可使机器人腰部执行器1及其以上的结构相对髋关节及其以下结构转动或摆动，从而达到机器人的腰部运动，以调整机器人的行走姿态。以下对本申请实施例所提供的机器人腰部机构100的动作进一步的说明。

如图7所示，当其中一组动力输出组件22固定不作动，而另一组动力输出组件22的第一动力输出环221和第二动力输出环222同步转动时，可使其中一输出杆50固定不动，而另一输出杆50依输出环的转动方向而向上或向下转动，并沿本体10的重力方向上下摆动，达到机器人腰部往前或往后摆动的效果。

如图8所示，当右侧的驱动机构20的第一电机2311和第二电机2321分别驱动第一动力输出环221和第二动力输出环222向上转动，而左侧的驱动机构20的第一电机2311和第二电机2321分别驱动第一动力输出环221和第二动力输出环222向下转动时，会使得二输出杆50产生高度落差而倾斜，从而相对于本体10往右摆动。当然，当右侧的驱动机构20的第一电机2311和第二电机2321分别驱动第一动力输出环221和第二动力输出环222向下转动，而左侧的驱动机构20的第一电机2311和第二电机2321分别驱动第一动力输出环221和第二动力输出环222向上转动时，则会相对于本体10往左摆动。因此，通过两个驱动机构20的相反方向驱动，即可控制二输出杆50的左右摆动。

由以上说明可知，本申请实施例通过四组电机的驱动变化，使二输出杆50产生相对应的前后转动或摆动，当组设于机器人的腰部时，可实现机器人于行走过程中所需的前后及左右摆动。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人腰部机构，其特征在于，包括：

执行器，包括本体，所述本体的相对二侧皆设置有第一动力输出环和第二动力输出环，分别沿所述本体的轴向设置，并且可相对所述本体转动；

二框架，分别沿所述轴向套设于所述本体的相对二侧，且各所述框架具有沿所述本体的径向向外延伸的传动部；以及

二传动机构，一对一的设置于二所述框架的所述传动部，各所述传动机构包括输出杆、转轴和二连动组件，所述转轴转动安装于所述传动部，并且转动套接于所述输出杆上，二所述连动组件转动连接于所述转轴的相对两端，且二所述连动组件的其中一端分别枢接于所述输出杆的相对二侧，其中一所述连动组件的另一端枢接于所述本体相对二侧的二所述第一动力输出环之间，而另一所述连动组件的另一端枢接于所述本体相对二侧的二所述第二动力输出环之间。

2.如权利要求1所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述连动组件包括摆动件、第一连杆和第二连杆，所述摆动件包括相对的第一端和第二端，所述第一连杆枢接于所述第一端与所述输出杆之间，一所述传动机构的所述第二连杆枢接于所述第二端和所述第一动力输出环之间，另一所述传动机构的所述第二连杆枢接于所述第二端和所述第二动力输出环之间。

3.如权利要求2所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述转轴包括轴筒、第一轴套和第二轴套，第一轴套和第二轴套分别固定于所述轴筒的相对二侧，所述轴筒转动套接于所述输出杆，其中所述第一轴套穿过并转动安装于所述传动部，所述摆动件在所述第一端和所述第二端之间设置有套接孔，二所述连动组件分别通过所述套接孔转动套设于相对应的所述第一轴套和所述第二轴套。

4.如权利要求2所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述输出杆包括轴杆和操作杆，所述轴杆具有相对的头端和尾端，所述头端转动插接于所述轴筒内，所述尾端连接于所述操作杆的一端，所述操作杆的另一端具有用于对外连接的套接部。

5.如权利要求4所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述尾端的相对二侧分别设置有转接部，所述第一连杆的一端枢接于所述转接部，另一端朝所述操作杆的方向枢接于所述第一端，所述摆动件倾斜连接于所述第一连杆和所述第二连杆之间。

6.如权利要求4所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述输出杆还包括轴承、轴承锁定板和控制电路组件，所述轴承在所述轴筒内套设于所述轴杆上，所述轴承锁定板压合于所述轴承上，所述控制电路组件固定于所述轴承锁定板上。

7.如权利要求2所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述第一连杆的相对二端分别设置有球形销，所述第二连杆的相对二端分别设置有关节轴承。

8.如权利要求1所述的机器人腰部机构，其特征在于，所述第一动力输出环的外周面设置有向外延伸的第一动力输出点，且所述第二动力输出环的外周面设置有向外延伸的第二动力输出点，所述第二连杆枢接于相对应的所述第一动力输出点或所述第二动力输出点。

9.如权利要求1所述的机器人腰部机构，其特征在于，二所述框架的所述传动部在所述轴向上不重叠。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的机器人腰部机构。

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