(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105538338A (43)申请公布日2016.05.04 (21)申请号201610081084.5 (22)申请日2016.02.05 (71)申请人东南大学 地址210000江苏省南京市四牌楼2号 (72)发明人宋光明韦中张勇郑楚婷 彭璜宋爱国 (74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所 (普通合伙)32204 代理人张弛 (51)nt.Cl. B25J17/02(2006.01) B25J9/10(2006.01) 权利要求书2页说明书4页附图4页 (54)发明名称 种应用于四足机器人的仿生脊柱机构及机 器人 (57)摘要 本发明公开了一种应用于四足机器人的仿生 s16 12 20送 脊柱机构，包括两个动力机、两个转盘、四个滑轮、 两个滑轮底座、一套脊柱模块和四条绳索。本发明 通过两个动力机的控制，可以实现仿生脊柱机构 在偏航和俯仰两个方向上的转动，进而实现四足 2 机器人的转向和弯曲。本发明的仿生脊柱机构，利 用绳索作为传动装置，结构简单。本发明的仿生脊 柱机构，在脊柱的转动关节上装有弹簧，脊柱的转 动引起弹簧的压缩并存储弹性势能，在脊柱恢复 原形时弹性势能转化为动能，这有效的提高了四 足机器人的运动效率。本发明的仿生脊柱机构，通 过改变脊柱中弹簧的参数，可以改变脊柱的弯曲 曲线，实现四足机器人不同方向的弯曲。 石
CN105538338A 权利要求书 1/2页 1.一种应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于，包括第一转盘、第二转盘、第 三转盘、脊柱体；所述第一转盘位于脊柱体的一端：第二转盘、第三转盘均位于脊柱体的另 一端：所述脊柱体包括可横向扭动也可纵向扭动的脊柱主体、固定在脊柱主体一端的第一 支架、固定在脊柱主体另一端的第二支架；所述第二转盘位于第三转盘之上； 第一转盘上绕有第一绳索，该第一绳索的两端形成两个第一绳索分支，该两个第一绳 索分支自第一转盘两端横向排列向第二支架方向延伸，且该两个第一绳索分支穿过第一支 架并固定在第二支架上： 第二转盘上绕有第二绳索，该第二绳索延伸出的一端穿过第二支架并固定在第一支架 上； 第三转盘上绕有第三绳索，该第三绳索延伸出的一端穿过第二支架并固定在第一支架 上； 所述第二绳索位于第三绳索正上方，且第二绳索位于所述两个第一绳索分支之上：而 第三绳索位于所述两个第一绳索分支之下。 2.根据权利要求1所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：所述脊柱主 体包括若干串联的关节，每个关节包括第一收容部、第二收容部、夹在第一、第二收容部之 间的滚球，所述第一收容部及第二收容部均设有收容滚球的槽用以滚球在第一收容及第二 收容部之间相对转动：所述关节之间通过连杆固定串联。 3.根据权利要求1或2所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：所述第 一收容部及第二收容部上均设有若干过孔，所述两个第一绳索分支、第二绳索及第三绳索 均对应的通过过孔穿过第一、第二收容部。 4.根据权利要求2所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：所述相邻两 个关节之间设有弹簧，该弹簧连接前一个关节的第二收容部及后一个关节的第一收容部， 且所述连杆收容在弹簧内。 5.根据权利要求1所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：所述第二转 盘及第三转盘通过连接部同轴连接：所述第二绳索在第二转盘上的绕线方向与第三绳索在 第三转盘上的绕线方向相反。 6.根据权利要求5所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：还设有第一 机体及第二机体，所述第一转盘、第一支架安装在第一机体上，且第一转盘通过安装在第一 机体上的第一驱动装置驱动转动：所述第二转盘、第三转盘、第二支架安装在第二机体上， 且第二转盘、第三转盘通过安装在第二机体上的第二驱动装置驱动转动：所述脊柱主体横 跨在第一机体和第二机体之间。 7.根据权利要求6所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构，其特征在于：所述第一机 体上还设有位于第一转盘及第一支架之间的第一滑轮架，该第一滑轮架上设有两个横向排 列的第一滑轮，所述两个第一绳索分支穿过第一滑轮架并与对应的第一滑轮配合：所述第 二机体上还设有位于第二转盘与第二支架之间的第二滑轮架，所述第二滑轮架上没有上下 排列的第二滑轮和第三滑轮，所述第二绳索穿过第二滑轮架并与第二滑轮配合；所述第三 绳索穿过第二滑轮架并与第三滑轮配合。 8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的应用于四足机器人的仿生脊柱机构的控制 方法，其特征在于，包括： 2
CN105538338A 权利要求书 2/2页 脊柱主体横向扭动的控制，即控制第一转盘顺时针或者逆时针转动，拉扯两个第一绳 索分支的其中一个而放松另一个，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊 柱主体横向扭动： 脊柱主体纵向扭动的控制，包括控制第二转盘转动拉扯第二绳索同时第三转盘转动放 松第三绳索，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向上凸起扭动： 以及控制第三转盘转动拉扯第三绳索同时第二转盘转动放松第二绳索，并通过关节中滚球 与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向下凸起扭动。 9.一种机器人，其特征在于：包括权利要求1至7中任一项所述的仿生脊柱机构。 3
CN105538338A 说明书 1/4页 一种应用于四足机器人的仿生脊柱机构及机器人 技术领域 [0001] 本发明涉及机器人技术，尤其涉及四足机器人仿生脊柱机构的设计。 背景技术 [0002]在发生火灾、矿难、核泄漏、恐怖袭击等事件时，往往需要进行搜救、反恐、排爆、侦 察等危险任务。为了减少人员伤亡，常借助于移动机器人。由于地面环境复杂，传统的轮式 和履带式机器人的适应性较差，因此，在运动过程中和地面点接触的四足机器人有很大的 应用前景。四足机器人是一种仿哺乳动物的仿生机器人，其现实生活中的原型往往有运动 灵活的脊柱，使得它们可以实现稳定、灵活、高效的运动。比如，猫在转向时，脊柱会朝转向 的方向弯曲：猎豹奔跑时，脊柱会不停的向上和向下弯曲。现有的四足机器人有的没有脊柱 机构，而有脊柱机构的往往脊柱的运动方向单一、运动不灵活或者结构复杂，不利于四足机 器人实现稳定、高效的运动。 发明内容 [0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有四足机器人的脊柱的运动方向单一、运动不 灵活、结构复杂的不足，提供一种应用于四足机器人的结构简单、运动灵活多变的仿生脊柱 机构。 [0004] 为达到上述目的，本发明应用于四足机器人的仿生脊柱机构可采用如下技术方 案： [0005]一种应用于四足机器人的仿生脊柱机构，包括第一转盘、第二转盘、第三转盘、脊 柱体；所述第一转盘位于脊柱体的一端：第二转盘、第三转盘均位于脊柱体的另一端；所述 脊柱体包括可横向扭动也可纵向扭动的脊柱主体、固定在脊柱主体一端的第一支架、固定 在脊柱主体另一端的第二支架：所述第二转盘位于第三转盘之上：第一转盘上绕有第一绳 索，该第一绳索的两端形成两个第一绳索分支，该两个第一绳索分支自第一转盘两端横向 排列向第二支架方向延伸，且该两个第一绳索分支穿过第一支架并固定在第二支架上：第 二转盘上绕有第二绳索，该第二绳索延伸出的一端穿过第二支架并固定在第一支架上：第 三转盘上绕有第三绳索，该第三绳索延伸出的一端穿过第二支架并固定在第一支架上：所 述第二绳索位于第三绳索正上方，且第二绳索位于所述两个第一绳索分支之上：而第三绳 索位于所述两个第一绳索分支之下。 [0006]与现有技术相比，本发明的仿生脊柱机构，利用绳索作为传动装置，结构简单。通 过控制第一转盘的转动带动第一绳索可以使脊柱主体横向扭动：通过控制第二、第三转盘 的转动带动第二、第三绳索可以使脊柱主体纵向扭动。 [0007]进一步的，所述脊柱主体包括若干串联的关节，每个关节包括第一收容部、第二收 容部、夹在第一、第二收容部之间的滚球，所述第一收容部及第二收容部均设有收容滚球的 槽用以滚球在第一收容及第二收容部之间相对转动：所述关节之间通过连杆固定串联。使 本发明的仿生脊柱机构，应用球形关节作为转动关节，运动灵活
CN105538338A 说明书 2/4页 [0008]进一步的，所述第一收容部及第二收容部上均设有若干过孔，所述两个第一绳索 分支、第二绳索及第三绳索均对应的通过过孔穿过第一、第二收容部。 [0009]进一步的，所述相邻两个关节之间设有弹簧，该弹簧连接前一个关节的第二收容 部及后一个关节的第一收容部，且所述连杆收容在弹簧内。其中，在脊柱主体的转动关节上 装有弹簣，脊柱主体的转动引起弹簧的压缩并存储弹性势能，在脊柱主体恢复原形时弹性 势能转化为动能，这有效的提高了脊柱主体的运动效率。本发明的仿生脊柱机构，通过改变 脊柱主体中弹簧的参数，可以改变脊柱主体的弯曲曲线，实现脊柱主体不同方向的弯曲。 [0010]本发明同时提供了一种使用上述仿生脊柱机构的机器人。 [0011] 本发明同时提供了一种上述仿生脊柱机构的控制方法，包括： [0012]脊柱主体横向扭动的控制，即控制第一转盘顺时针或者逆时针转动，拉扯两个第 一绳索分支的其中一个而放松另一个，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动 使脊柱主体横向扭动： [0013] 脊柱主体纵向扭动的控制，包括控制第二转盘转动拉扯第二绳索同时第三转盘转 动放松第三绳索，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向上凸起 扭动：以及控制第三转盘转动拉扯第三绳索同时第二转盘转动放松第二绳索，并通过关节 中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向下凸起扭动。 附图说明 [0014] 图1是本发明具体实施的仿生脊柱机构的示意图。 [0015] 图2是本发明实施的仿生脊柱机构的单关节脊柱模块的示意图。 [0016] 图3是本发明实施的仿生脊柱机构的脊柱模块的整体示意图。 [0017] 图4是本发明实施的仿生脊柱机构的脊柱模块的分立零件示意图。 [0018] 图5是本发明实施的仿生脊柱机构的前视图。 [0019] 图6是本发明实施的仿生脊柱机构的右视图。 [0020] 图7是本发明实施的仿生脊柱机构的俯视图。 具体实施方式 [0021]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。 [0022]请参阅图1至图7所示，本发明公开一种应用于四足机器人的仿生脊柱机构，目的 在于在应用于四足机器人时能够使四足机器人在不同方向的弯曲。该仿生脊柱结构包括第 一转盘110、第二转盘152、第三转盘112、脊柱体。所述第一转盘110位于脊柱体的一端：第二 转盘152、第三转盘112均位于脊柱体的另一端。所述脊柱体包括可横向扭动也可纵向扭动 的脊柱主体、固定在脊柱主体一端的第一支架122、固定在脊柱主体另一端的第二支架124。 所述第二转盘152位于第三转盘112之上。其中，第一转盘110上绕有第一绳索，该第一绳索 的两端形成两个第一绳索分支134、136，该两个第一绳索分支134、136自第一转盘110两端 横向排列向第二支架124方向延伸，且该两个第一绳索分支134、136穿过第一支架122并固 5
CN105538338A 说明书 3/4页 定在第二支架124上。而第二转盘152上绕有第二绳索138，该第二绳索138延伸出的一端穿 过第二支架124并固定在第一支架122上。第三转盘112上绕有第三绳索140，该第三绳索140 延伸出的一端穿过第二支架124并固定在第一支架122上。其中，该机构中设有第一机体102 及第二机体104，所述第一转盘110、第一支架122安装在第一机体102上，且第一转盘110通 过安装在第一机体102上的第一驱动装置106驱动转动：所述第二转盘152、第三转盘112、第 二支架124安装在第二机体104上，且第二转盘152，第三转盘112通过安装在第二机体上的 第二驱动装置108驱动转动；所述脊柱主体横跨在第一机体和第二机体之间。其中，由于第 二转盘152和第三转盘112分别驱动不同的绳索，故可以单独进行控制，只要能够实现分别 驱动第二、第三绳索即可行。但是在在本实施方式中，为了使结构更加简化并紧凑，将所述 第二转盘152及第三转盘112通过连接部153同轴连接：同时，为了使第二转盘152及第三转 盘112在同向转动时能够使第二绳索和第三绳索的运动相反，从而能够使第二、第三绳索其 中一个拉扯而另一个放松，采用的方式是将所述第二绳索138在第二转盘152上的绕线方向 与第三绳索140在第三转盘112上的绕线方向相反。第一转轴110绕轴线111转动，第二、第三 转轴152、112同时绕轴线113转动。 [0023]进一步的，为了使各个绳索的运动更加顺畅，所述第一机体102上还设有位于第一 转盘110及第一支架122之间的第一滑轮架114。该第一滑轮架114上设有两个横向排列的第 一滑轮116，所述两个第一绳索分支134、136穿过第一滑轮架114并与对应的第一滑轮116配 合，从而使两个第一绳索分支134、136在使用时定位且运动更加顺畅。同样的原因，所述第 二机体104上还设有位于第二转盘152与第二支架124之间的第二滑轮架118，所述第二滑轮 架118上设有上下排列的第二滑轮和第三滑轮（第二滑轮和第三滑轮均标号120），所述第二 绳索穿过第二滑轮架并与第二滑轮配合；所述第三绳索穿过第二滑轮架并与第三滑轮配 合。在本实施方式中，所述第二绳索位于第三绳索正上方，且第二绳索位于所述两个第一绳 索分支之上：而第三绳索位于所述两个第一绳索分支之下。 [0024]请再重点结合图3及图4所示，所述脊柱主体包括若干串联的关节，每个关节包括 第一收容部128、第二收容部130、夹在第一、第二收容部之间的滚球126，所述第一收容部 128及第二收容部130均设有收容滚球126的槽用以滚球在第一收容及第二收容部之间相对 转动：所述关节之间通过连杆131固定串联。所述第一收容部及第二收容部上均设有若干过 孔141，所述两个第一绳索分支、第二绳索及第三绳索均对应的通过过孔穿过第一、第二收 容部。 [0025]进一步的，为了使本结构的控制更加精密且具有可操作性，所述相邻两个关节之 间设有弹簧132，该弹簧132连接前一个关节的第二收容部及后一个关节的第一收容部，且 所述连杆收容在弹簧132内。脊柱主体的转动引起弹簧132的压缩并存储弹性势能，在脊柱 主体恢复原形时弹性势能转化为动能，这有效的提高了四足机器人的运动效率。并且通过 改变脊柱中弹簧的参数，可以改变脊柱主体的弯曲曲线，实现脊柱主体不同方向的弯曲。 [0026]而上述仿生脊柱机构的控制方法为： [0027] 脊柱主体横向扭动的控制，即控制第一转盘顺时针或者逆时针转动，拉扯两个第 一绳索分支的其中一个而放松另一个，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动 使脊柱主体横向扭动： [0028]脊柱主体纵向扭动的控制，包括控制第二转盘转动拉扯第二绳索同时第三转盘转 6
CN105538338A 说明书 4/4页 动放松第三绳索，并通过关节中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向上凸起 扭动；以及控制第三转盘转动拉扯第三绳索同时第二转盘转动放松第二绳索，并通过关节 中滚球与第一、第二收容部之间的转动使脊柱主体向下凸起扭动。 [0029]结合图1，可以实现的一种控制方法的具体实施例为，通过控制第一驱动装置106 驱动第一转盘110按照方向5旋转，第一绳索分支134收回，第一绳索分支136放出，拉动第二 支架124压缩弹簧132运动，从而实现脊柱机构在偏航方向2上的转动。同样的，通过控制第 一驱动装置106驱动第一转盘110按照方向6旋转，第一绳索分支136收回，第一绳索分支134 放出，拉动第二支架124压缩弹簧132运动，从而实现脊柱机构在偏航方向1上的转动。而通 过控制第二驱动装置108驱动第二转盘152及第三转盘112按照方向7旋转，第二绳索138收 回，第三绳索140放出，拉动第一支架122压缩弹簧132运动，从而实现脊柱机构在俯仰方向3 上的转动。同样的，通过控制第二驱动装置108驱动第二转盘152及第三转盘112按照方向8 旋转，第三绳索140收回，第二绳索138放出，拉动第一支架122压缩弹簧132运动，从而实现 脊柱机构在俯仰方向4上的转动。如上所述，通过控制第一、第二驱动装置可以实现仿生脊 柱机构在偏航和俯仰两个方向上的转动，进而实现脊柱机构的转向和弯曲。 [0030]而结合上述说明，本发明还公开一种机器人，使用所述的仿生脊柱机构。 [0031]另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。 应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做 出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各 组成部分均可用现有技术加以实现。 7
CN105538338A 说明书附图 1/4页 153 152 56 126 28 124120L18 114 122 104 116 110 102 32 108 334 138 136 78 140 106 13 图1 I31 22 126 124 132 图2 8
CN105538338A 说明书附图 2/4页 126 122 124 128 2132 130 图3 28 126 141 122 130 124 132 图4 9
CN105538338A 说明书附图 3/4页 8 图5 图6 10