腰部传动机构及人形机器人的制作方法

1.本发明属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种腰部传动机构及人形机器人。


背景技术：

2.对于人形机器人来说，腰部结构的设计对提升机器人的拟人性有着不可替代的作用，人体腰部可以简化为三个自由度的复合运动，具体为腰部俯仰运动、腰部侧摆运动和腰部旋转运动。
3.现有人形机器人的腰部大多数都采用三个关节舵机直接串联在一起，三个关节舵机分别实现三个自由度的运动。这样会导致占用空间很大，而且运动不拟人化，同时转动惯量较大，对关节的力矩需求也较大。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种腰部传动机构及人形机器人，以解决现有技术中存在的腰部传动机构占用的空间大、转动惯量大的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种腰部传动机构，包括腰部固定座、胸腔连接座和两个腰部连杆组件，所述腰部固定座和所述胸腔连接座万向连接，两个所述腰部连杆组件对称设置于所述胸腔连接座上，所述腰部连杆组件包括腰部驱动件、由所述腰部驱动件驱动旋转的第一连杆以及与所述第一连杆活动连接的第二连杆，所述第二连杆远离所述第一连杆的一端活动连接于所述腰部固定座。
6.在一个实施例中，所述胸腔连接座包括胸腔支撑架以及设置于所述胸腔支撑架内部的胸腔支撑柱，所述腰部连杆组件设置于所述胸腔支撑架上，所述胸腔支撑柱的一端与所述腰部固定座万向连接，所述胸腔支撑柱的另一端固定于所述胸腔支撑架的内部。
7.在一个实施例中，所述胸腔支撑柱中空设置，且所述胸腔支撑架开设有与所述胸腔支撑柱正对设置的过线孔。
8.在一个实施例中，所述胸腔支撑架包括胸腔顶板以及两个分别连接在所述胸腔顶板两侧的两个胸腔侧板，所述胸腔支撑柱固定于所述胸腔顶板，两个所述腰部驱动件分别固定于两个所述胸腔侧板。
9.在一个实施例中，所述腰部驱动件包括电机、由所述电机驱动的带轮组件以及传动连接于所述带轮组件的减速器，所述电机和所述减速器设置于所述胸腔侧板的内侧，所述带轮组件设置于所述胸腔侧板的外侧。
10.在一个实施例中，所述腰部固定座和所述胸腔连接座通过十字连接环万向连接，所述十字连接环具有相互平行的两个第一侧壁以及相互平行的两个第二侧壁，所述腰部固定座具有两个相对设置的第一铰接座，所述胸腔连接座具有两个相对设置的第二铰接座，两个所述第一铰接座分别转动连接于两个所述第一侧壁，两个所述第二铰接座分别转动连接于两个所述第二侧壁；所述十字连接环相对所述第一铰接座的转动中心轴与所述十字连
接环相对所述第二铰接座的转动中心轴相互垂直。
11.在一个实施例中，所述十字连接环包括u形开口环以及连接于所述u形开口环的开口端的十字端盖，所述十字端盖为所述第一侧壁或者所述第二侧壁。
12.在一个实施例中，所述第一铰接座上设置有用于限制所述胸腔连接座的俯仰角度的俯仰限位块；所述第二铰接座上设置有用于限制所述胸腔连接座的侧摆角度的侧摆限位块。
13.在一个实施例中，所述俯仰限位块和所述侧摆限位块均呈圆柱形。
14.在一个实施例中，所述第二连杆远离所述第一连杆的一端通过万向球头连接于所述腰部固定座。
15.在一个实施例中，所述腰部传动机构还包括腰部旋转舵机，所述腰部旋转舵机的旋转运动端与所述腰部固定座固定连接。
16.本发明还提供一种人形机器人，包括上述的腰部传动机构。
17.本发明提供的腰部传动机构及人形机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明腰部传动机构包括腰部固定座、胸腔连接座和两个腰部连杆组件，腰部固定座和胸腔连接座万向连接，两个腰部连杆组件对称设置在胸腔连接座上，腰部连杆组件的第二连杆活动连接于腰部固定座。当两个腰部连杆组件同步运动时，可以实现胸腔连接座的俯仰运动；当两个腰部连杆组件运动方向相反时，可以实现胸腔连接座的侧摆运动。如此，通过两个对称设置的腰部连杆组件同时实现腰部俯仰和侧摆运动，相对于传统的舵机串联方案来说，占用的空间较小，机构的重量也较小，在腰部进行俯仰和侧摆运动时，无需带动其他舵机旋转，转动惯量也相应降低，对腰部连杆组件的力矩需求降低。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的腰部传动机构的立体结构图；
20.图2为本发明实施例提供的腰部传动机构在侧摆时的立体结构图；
21.图3为本发明实施例提供的腰部传动机构在侧摆和俯仰时的立体结构图；
22.图4为本发明实施例提供的腰部传动机构的主视图；
23.图5为图4中沿a-a线的剖视图；
24.图6为本发明实施例提供的腰部固定座和胸腔连接座的连接结构示意图；
25.图7为本发明实施例在第二连杆和腰部固定座连接处的剖视图；
26.图8为本发明实施例提供的人形机器人的结构示意图。
27.其中，图中各附图标记：
28.100-腰部传动机构；1-腰部固定座；11-第一铰接座；12-俯仰限位块；13-转接轴；131-球头结构；132-球头轴；133-紧固件；2-胸腔连接座；20-过线孔；21-胸腔支撑架；211-胸腔顶板；212-胸腔侧板；22-胸腔支撑柱；221-第二铰接座；222-侧摆限位块；3-腰部连杆组件；31-腰部驱动件；311-电机；312-带轮组件；3121-主动轮；3122-从动轮；3123-同步带；
3124-张紧轮；313-减速器；32-第一连杆；33-第二连杆；331-球腔结构；332-固定环；4-腰部旋转舵机；5-线缆；6-十字连接环；61-第一侧壁；62-第二侧壁；63-u形开口环；64-十字端盖；200-头部结构；300-腿部结构。
具体实施方式
29.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
31.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.现对本发明实施例提供的腰部传动机构100进行说明。腰部传动机构100用于实现人形机器人躯干结构的俯仰、侧摆和转动，即为腰部的俯仰、侧摆和转动，使人形机器人更加类人化。
34.在本发明的其中一个实施例中，请一并参阅图1至图3，腰部传动机构100包括腰部固定座1、胸腔连接座2和两个腰部连杆组件3，腰部固定座1设置在腰部，胸腔连接座2设置在腰部固定座1的上方，腰部固定座1和胸腔连接座2万向连接，使得胸腔连接座2可相对腰部固定座1在任一方向转动。两个腰部连杆组件3对称设置在腰部固定座1上，通过两个腰部连杆组件3的相互配合可以实现腰部的俯仰和侧摆运动。
35.具体地，腰部连杆组件3包括腰部驱动件31、第一连杆32和第二连杆33，腰部驱动件31用于输出旋转运动，第一连杆32的一端固定连接于腰部驱动件31的旋转运动端，由腰部驱动件31驱动摆动，第一连杆32的另外一端活动连接于第二连杆33，第二连杆33的远离第一连杆32一端活动连接于腰部固定座1。这样，在腰部驱动件31工作时，第一连杆32摆动，同时带动第二连杆33摆动，由于腰部固定座1固定不动，因此会使腰部连杆组件3以及胸腔连接座2一同相对腰部固定座1摆动。第一连杆32和第二连杆33活动连接，第二连杆33和腰部固定座1活动连接，使第一连杆32和第二连杆33无需保持在一个平面上，可以实现更多角度的旋转，也能够防止腰部连杆组件3在工作时卡死。
36.当两个腰部连杆组件3同步运动时(运动方向相同且角速度相同)，胸腔连接座2的两侧运动方向和速度相同，因此可以实现胸腔连接座2的俯仰运动。请参阅图2，当两个腰部连杆组件3运动方向相反且角速度相同时，胸腔连接座2的两侧运动方向相反，但速度相同，因此可以实现胸腔连接座2的侧摆运动。请参阅图3，两个腰部连杆组件3的运动方向相同，
但角速度不同；或者，两个腰部连杆组件3的运动方向相反，但角速度不同时，可以实现胸腔连接座2的侧摆和俯仰运动。
37.上述实施例中的腰部传动机构100，包括腰部固定座1、胸腔连接座2和两个腰部连杆组件3，腰部固定座1和胸腔连接座2万向连接，两个腰部连杆组件3对称设置在胸腔连接座2上，腰部连杆组件3的第二连杆33活动连接于腰部固定座1。当两个腰部连杆组件3同步运动时，可以实现胸腔连接座2的俯仰运动；当两个腰部连杆组件3运动方向相反时，可以实现胸腔连接座2的侧摆运动。如此，通过两个对称设置的腰部连杆组件3同时实现腰部俯仰和侧摆运动，相对于传统的舵机串联方案来说，占用的空间较小，机构的重量也较小，在腰部进行俯仰和侧摆运动时，无需带动其他舵机旋转，转动惯量也相应降低，对腰部连杆组件3的力矩需求降低。
38.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图4，胸腔连接座2包括胸腔支撑架21和胸腔支撑柱22，胸腔支撑柱22设置于胸腔支撑架21的内部。胸腔支撑柱22的一端固定于胸腔支撑架21的内部，胸腔支撑柱22的另一端与腰部固定座1万向连接，胸腔连接座2和腰部固定座1的连接点位于胸腔支撑柱22的端部。可选地，胸腔支撑柱22设置于胸腔支撑架21的中垂线处(在人形机器人站立时，胸腔支撑架21的中垂线竖直设置)，使腰部传动机构100的周向质量分布均匀，还可以使胸腔支撑架21两侧边缘的运动保持一致或者完全相反。腰部连杆组件3设置在胸腔支撑架21上，使胸腔支撑架21能够相对腰部固定座1转动。
39.可选地，请参阅图1及图5，胸腔支撑柱22中空设置，胸腔支撑架21上开设有过线孔20，使线缆5能够从胸腔支撑柱22中穿过，然后穿过过线孔20，对线缆5进行收纳和定位，防止在腰部传动机构100工作时，线缆5磨损。其中，胸腔支撑柱22和过线孔20正对设置，使线缆5能够直接从胸腔支撑柱22的内部直线延伸穿过过线孔20，避免线缆5弯折。
40.可选地，请参阅图1及图4，胸腔支撑架21包括胸腔顶板211和两个胸腔侧板212，两个胸腔侧板212平行设置，且分别连接于胸腔顶板211的相对两侧，如此，使胸腔支撑架21呈u形设置，胸腔顶板211和两个胸腔侧板212围成的空间为胸腔支撑架21的内部空间。胸腔支撑柱22固定于胸腔顶板211，且设置于胸腔支撑架21的内部，上述的过线孔20开设于胸腔顶板211。两个腰部驱动件31分别固定于两个胸腔侧板212，使两个腰部连杆组件3对称设置于胸腔连接座2上。
41.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1、图4及图5，腰部驱动件31包括电机311、带轮组件312和减速器313，电机311输出旋转运动，带动带轮组件312运动，带轮组件312带动减速器313旋转，减速器313的输出端与第一连杆32连接，驱动第一连杆32摆动，即，电机311、带轮组件312和减速器313依次连接。带轮组件312的占用的体积较大，将带轮组件312设置于胸腔侧板212的外侧，同时将电机311和减速器313设置于胸腔侧板212的内侧，可以合理利用胸腔支撑架21的空间，尽可能地减小其体积。而且，在带轮组件312的传动作用下，电机311和减速器313的中心轴可错开设置，更便于其错开布置在同一胸腔侧板212上。其中，电机311的壳体固定在胸腔侧板212的内侧，其输出轴穿过胸腔侧板212至胸腔侧板212的外侧，与带轮组件312连接。减速器313可通过轴承转动支撑于胸腔侧板212，带轮组件312的输出端与减速器313的输入端固定连接。
42.可选地，带轮组件312包括主动轮3121、从动轮3122、同步带3123和张紧轮3124，同步带3123绕设于主动轮3121和从动轮3122上，张紧轮3124抵接于同步带3123上，使同步带
3123张紧。电机311的输出轴与主动轮3121的轮轴固定连接，从动轮3122的轮轴与减速器313的输入端固定连接。
43.在其他实施例中，腰部驱动件31也可选为集成的舵机等结构。
44.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图6，腰部固定座1和胸腔连接座2通过十字连接环6万向连接，使胸腔连接座2能够相对腰部固定座1在任一方向转动。十字连接环6具有两个第一侧壁61和两个第二侧壁62，两个第一侧壁61相互平行，两个第二侧壁62相互平行，第一侧壁61、第二侧壁62、第一侧壁61、第二侧壁62依次首尾连接，围成十字连接环6。腰部固定座1具有两个相对设置的第一铰接座11，两个第一铰接座11伸入十字连接环6的内部，且两个第一铰接座11分别与两个第一侧壁61转动连接，两个第一侧壁61相对两个第一铰接座11的转动轴相互重合，即，其中一个第一铰接座11和其中一个第一侧壁61的转动连接轴，与另一个第一铰接座11和另一个第一侧壁61的转动连接轴重合。胸腔连接座2具有两个相对设置的第二铰接座221，第二铰接座221也伸入十字连接环6的内部，且两个第二铰接座221分别与两个第二侧壁62转动连接，两个第二侧壁62相对两个第二铰接座221的转动轴相互重合。十字连接环6相对第一铰接座11的转动中心轴与十字连接环6相对第二铰接座221的转动中心轴相互垂直，使胸腔连接座2相对腰部固定座1可以在第一方向或者第二方向转动，也可以同时在第一方向和第二方向转动，第一方向为十字连接环6相对第一铰接座11的转动中心轴的方向，第二方向为十字连接环6相对第二铰接座221的转动中心轴的方向。如此，通过十字连接环6实现腰部固定座1和胸腔连接座2的万向连接。在其他实施例中，也可采用万向球头等结构实现腰部固定座1和胸腔连接座2的万向连接。
45.在图6的实施例中，胸腔支撑柱22通过十字连接环6与腰部固定座1万向连接，第二铰接座221设置于胸腔支撑柱22的端部，胸腔支撑柱22具有第二铰接座221的一端更容易伸入十字连接环6中。
46.可选地，胸腔支撑柱22的横截面呈框形，胸腔支撑柱22由四个侧板组成，其中两个相对设置的侧板上形成上述的第二铰接座221。
47.可选地，请参阅图5及图6，十字连接环6包括u形开口环63和十字端盖64，十字端盖64连接在u形开口环63的开口端，u形开口环63和十字端盖64固定连接时，可形成封闭的环状。将十字连接环6拆分为u形开口环63和十字端盖64设置，更便于其装配，可以在u形开口环63内部的结构安装好之后，再盖上十字端盖64，避免出现无法安装的情况。其中，十字端盖64可以为第一侧壁61或者第二侧壁62。在其他实施例中，十字连接环6包括四个依次连接成框形的侧板，也能够方便十字连接环6内部结构的安装。
48.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图6，第一铰接座11上设置有俯仰限位块12，俯仰限位块12用于限制胸腔连接座2的俯仰角度。当胸腔连接座2进行俯仰动作时，十字连接环6随胸腔连接座2一同俯仰，俯仰角度过大时，十字连接环6会触碰到第一铰接座11上的俯仰限位块12，因此可以对俯仰角度进行限制。俯仰限位块12可为圆柱形，其周面平滑无棱角，即使十字连接环6和俯仰限位块12相互触碰，也不会相互碰伤。其中，俯仰限位块12可位于十字连接环6的上方或者下方，靠近十字连接环6设置。
49.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图6，第二铰接座221上设置有侧摆限位块222，侧摆限位块222用于限制胸腔连接座2的侧摆角度。当胸腔连接座2进行侧摆动作时，十字连接环6保持不动，侧摆角度过大时，胸腔连接座2上的侧摆限位块222则会与十字连接环
6触碰，因此可以对侧摆角度进行限制。侧摆限位块222可为圆柱形，其周面平滑无棱角，即使十字连接环6和侧摆限位块222相互触碰，也不会相互碰伤。其中，侧摆限位块222可位于十字连接环6的上方或者下方，靠近十字连接环6设置。
50.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图7，第二连杆33远离第一连杆32的右端通过万向球头连接于腰部固定座1，使第二连杆33和腰部固定座1万向连接，从而使第二连杆33可相对腰部固定座1在任一方向上旋转，以配合胸腔连接座2的运动。
51.可选地，腰部固定座1上设置有球头结构131，第二连杆33的端部设置有球腔结构331，球头结构131位于球腔结构331内，球腔结构331能够相对球头结构131在任一方向旋转，使第二连杆33能够相对腰部固定座1在任一方向旋转。更具体地，腰部固定座1具有球头轴132，球头结构131套设于球头轴132上，通过螺钉等紧固件133将球头结构131压紧固定于球头轴132上。第二连杆33的端部呈环状，该环状结构内设有球腔结构331，通过固定环332将球腔结构331压紧固定于环状结构内。在其他实施例中，腰部固定座1可设置球腔结构331，相应地，第二连杆33的端部设置球头结构131，也能够使第二连杆33和腰部固定座1万向连接。
52.由于两个第二连杆33均与腰部固定座1万向连接，腰部固定座1上可设置转接轴13，转接轴13可水平设置，转接轴13的两端均设置球头结构131，或者均设置球腔结构331。
53.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图7，第二连杆33与第一连杆32通过万向球头万向连接，使第一连杆32和第二连杆33万向连接，从而使第一连杆32可相对第二连杆33在任一方向上旋转，以配合胸腔连接座2的运动。
54.其中，第一连杆32和第二连杆33的连接结构可选为与第二连杆33和腰部固定座1的连接结构相同，其具体连接结构此处不再赘述。
55.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1，腰部传动结构还包括腰部旋转舵机4，腰部旋转舵机4用于实现腰部的旋转运动。腰部旋转舵机4的旋转运动端与腰部固定座1固定连接，在腰部旋转舵机4工作时，腰部固定座1、腰部连杆组件3、胸腔连接座2一同旋转。其中，腰部旋转舵机4可设置于腰部固定座1的下方，胸腔连接座2和腰部连杆组件3设置在腰部固定座1的上方，使腰部结构具有更加合理的布局。
56.本发明还提供一种人形机器人，请参阅图8，人形机器人包括上述任一实施例中的腰部传动机构100。人形机器人还包括头部结构200和腿部结构300，头部结构200可与胸腔连接座2相互连接，腿部结构300可以腰部固定座1相互连接，使机器人更加类人化。
57.本发明提供的人形机器人，采用了上述的腰部传动机构100，腰部传动机构100包括腰部固定座1、胸腔连接座2和两个腰部连杆组件3，腰部固定座1和胸腔连接座2万向连接，两个腰部连杆组件3对称设置在胸腔连接座2上，腰部连杆组件3的第二连杆33活动连接于腰部固定座1。当两个腰部连杆组件3同步运动时，可以实现胸腔连接座2的俯仰运动；当两个腰部连杆组件3运动方向相反时，可以实现胸腔连接座2的侧摆运动。如此，通过两个对称设置的腰部连杆组件3同时实现腰部俯仰和侧摆运动，相对于传统的舵机串联方案来说，占用的空间较小，机构的重量也较小，在腰部进行俯仰和侧摆运动时，无需带动其他舵机旋转，转动惯量也相应降低，对腰部连杆组件3的力矩需求降低。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。