CN117921642B - 仿生机械脊椎及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种仿生机械脊椎及机器人，仿生机械脊椎包括多个依次排布设置的脊椎单元，脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件、万向节以及第二关节构件，第一关节构件包括第一连接部、第一固定支座以及第一铰接支座，第二关节构件包括第二连接部、第二固定支座以及第二铰接支座，第一铰接支座与第二铰接支座分别连接于万向节，第一连接部用于与相邻的前一脊椎单元的第二连接部可转动连接，第二连接部用于与相邻的后一脊椎单元的第一连接部可转动连接，第一固定支座用于与相邻的后一脊椎单元的第二固定支座固定连接，第二固定支座用于与相邻的前一脊椎单元的第一固定支座固定连接。从而，能在确保结构稳定性的同时提高仿生机械脊椎的灵活性。

Description

仿生机械脊椎及机器人

技术领域

本申请涉及仿生脊椎技术领域，特别涉及一种仿生机械脊椎及机器人。

背景技术

随着机器人的应用和推广，人们对机器人的灵活性提出了更高的要求。目前，机器人的仿生脊椎从材料上划分大致包括柔性脊椎和刚性脊椎两种，柔性脊椎多采用柔性材料，能够很好地模拟动物脊椎的柔韧度和适应性，但存在材料强度和耐久度低的问题，导致结构易变形，控制精度难以保证。而刚性脊椎多采用坚固的材料，具有较强的稳定性和刚度，但存在自由度低、灵活性差的问题。

发明内容

为解决上述技术问题的至少之一，本申请提供了一种仿生机械脊椎及机器人，能够在确保结构稳定性的同时，提高仿生机械脊椎的灵活性。

为实现上述目的，第一方面，本申请公开了一种仿生机械脊椎，包括：

多个依次排布设置的脊椎单元，所述脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件、万向节以及第二关节构件，所述第一关节构件包括第一连接部、第一固定支座以及第一铰接支座，所述第二关节构件包括第二连接部、第二固定支座以及第二铰接支座，所述第一铰接支座与所述第二铰接支座分别连接于所述万向节，所述第一连接部用于与相邻的前一所述脊椎单元的所述第二连接部可转动连接，所述第二连接部用于与相邻的后一所述脊椎单元的所述第一连接部可转动连接，所述第一固定支座用于与相邻的后一所述脊椎单元的所述第二固定支座固定连接，所述第二固定支座用于与相邻的前一所述脊椎单元的所述第一固定支座固定连接。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述仿生机械脊椎还包括第一关节连接件，所述第一关节连接件的两端分别连接于前一所述脊椎单元的所述第一固定支座与后一所述脊椎单元的所述第二固定支座，以连接相邻的两个所述脊椎单元，所述第一固定支座连接于所述第一连接部的远离前一所述脊椎单元的一侧并向远离前一所述脊椎单元的方向延伸，所述第二固定支座连接于所述第二连接部的远离后一所述脊椎单元的一侧并向远离所述后一所述脊椎单元的方向延伸，且所述第一关节连接件连接于所述第一固定支座的远离所述第一连接部的一端与所述第二固定支座的远离所述第二连接部的一端。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述仿生机械脊椎还包括控制装置，所述控制装置包括机架和驱动模块，所述驱动模块安装于所述机架，位于前端的所述脊椎单元的所述第二固定支座连接于所述机架，所述驱动模块可转动连接于所述脊椎单元的所述第一连接部并用于带动所述第一连接部运动。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述驱动模块包括第一部分，所述第一连接部与所述第一部分啮合连接并形成第一球齿轮副。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述第一连接部与所述第一部分二者之一为中凸球齿轮，二者另一为中凹球齿轮。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述驱动模块包括活动部和第一驱动件，所述活动部与所述第一连接部可转动连接，所述第一驱动件安装于所述机架，所述第一驱动件用于驱动所述活动部转动，以带动所述第一连接部运动。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述驱动模块还包括第二驱动件，所述第一驱动件与所述第二驱动件用于驱动所述活动部向两个不同的方向运动，所述机架包括第一支架和第二支架，所述第一驱动件安装于所述第一支架，所述活动部包括第一部分和连接于所述第一部分的第二部分，所述第一部分可转动连接于所述第一关节构件，且所述第一驱动件的输出端连接于所述第二部分，所述第二驱动件安装于所述第二支架，所述第二驱动件的输出端连接于所述第一支架，所述第二驱动件用于驱动所述第一支架转动，所述第二固定支座固定连接于所述第二支架。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述万向节包括主体部和分别连接于所述主体部的第一转动部和第二转动部，所述第一转动部与所述第二转动部分别沿两个相互垂直的方向延伸，所述第一转动部与所述第二转动部的延伸方向分别垂直于所述第一连接部的极轴并过所述第一连接部的中心，且所述第一铰接支座可转动连接于所述第一转动部，所述第二铰接支座可转动连接于所述第二转动部。

作为一种可选的实施方式，在本申请第一方面的实施例中，所述第一固定支座与所述第二固定支座的数量均为多个，多个所述第一固定支座均匀并间隔设置于所述第一连接部，多个所述第二固定支座均匀并间隔设置于所述第二连接部，且所述第二固定支座与所述第一固定支座在空间上交错分布。

第二方面，本申请公开了一种机器人，其特征在于，包括如上述第一方面所述的仿生机械脊椎。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

本申请实施例提供的一种仿生机械脊椎及机器人，仿生机械脊椎包括多个依次排布设置的脊椎单元，通过设置脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件、万向节以及第二关节构件，第一关节构件的第一铰接支座与第二关节构件的第二铰接支座分别连接于万向节，以使脊椎单元的两个关节构件既能发生相对运动，又能传递转动角度信息。同时，第一关节构件的第一连接部用于与相邻的前一脊椎单元的第二连接部可转动连接，第二关节构件的第二连接部用于与相邻的后一脊椎单元的第一连接部可转动连接，第一固定支座用于与相邻的后一脊椎单元的第二固定支座固定连接，所述第二固定支座用于与相邻的前一所述脊椎单元的所述第一固定支座固定连接，这样，当其中一个脊椎单元(以下简称为第一脊椎单元)的第一连接部发生转动时，通过第一固定支座能够带动与该第一脊椎单元相邻的后一脊椎单元的第二固定支座与第二连接部转动，此时在该后一脊椎单元(以下简称为第二脊椎单元)中，与该第二连接部连接的第二铰接支座通过万向节带动第一铰接支座转动，该第一铰接支座带动第一连接部相对第一脊椎单元的第二连接部转动，由于与第二脊椎单元相邻的后一脊椎单元(以下简称为第三脊椎单元)的第二固定支座连接于第二脊椎单元的第一固定支座，第二脊椎单元的第一连接部在转动时，能够通过第二脊椎单元的第一固定支座带动与第三脊椎单元的第二固定支座和第二连接部转动，此时在第三脊椎单元以及其后的脊椎单元中的结构传动与第二脊椎单元中发生的运动相似，即，与该第二连接部连接的第二铰接支座通过万向节带动第一铰接支座转动，以带动第一连接部相对第二脊椎单元的第二连接部转动，通过第三脊椎单元的第一连接部和第一固定支座带动第四脊椎单元的第二固定支座与第二连接部转动……从而实现多个脊椎单元的依次联动，以带动仿生机械脊椎发生弯曲摆动。

可见，采用本申请的仿生脊椎机械，能够使得多个脊椎单元之间密切联动，其中一个脊椎单元的运动能够带动相邻的脊椎单元同步发生运动，通过相邻的两个脊椎单元的依次传动，使得多个脊椎单元同时运动，以驱使仿生机械脊椎发生弯曲摆动，从而能够提高仿生机械脊椎的灵活度和仿生性能，同时相邻两个脊椎单元之间通过固定支座固定连接，能够在两个脊椎单元相对转动时相互牵制，以确保仿生机械脊椎的结构稳定性，避免相邻的脊椎单元相互脱离的情况。

此外，各脊椎单元的结构均相似，能够使得相邻两脊椎单元的旋转角度与方向保持一致，以在仿生机械脊椎运动时呈现出多段连续体作等曲率弯曲的姿态，同时还能便于关节构件的制造成型。

附图说明

图1是本申请实施例公开的仿生机械脊椎在直立状态下的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的仿生机械脊椎在弯曲状态下的结构示意图；

图3是本申请实施例公开的仿生机械脊椎在弯曲状态下的主视图；

图4是图3在A处的放大图；

图5是本申请实施例公开的仿生机械脊椎的第一活动关节的结构示意图；

图6是本申请实施例公开的仿生机械脊椎的第一活动关节的俯视图；

图7是本申请实施例公开的仿生机械脊椎的第一活动关节的剖视图；

图8是本申请实施例公开的第一关节构件的结构示意图；

图9是本申请实施例公开的第二关节构件的结构示意图；

图10是本申请实施例公开的第一轴芯的结构示意图；

图11是本申请实施例公开的仿生机械脊椎的控制装置的结构示意图；

图12是本申请实施例公开的活动部的结构示意图；

图13是本申请实施例公开的第一支架的结构示意图；

图14是本申请实施例公开的第二支架的结构示意图。

附图标记：

1、仿生机械脊椎；10、第一脊椎单元；11、第一关节构件；111、第一连接部；112、第一固定支座；113、第一铰接支座；1130、第一铰接孔；12、第二关节构件；121、第二连接部；122、第二固定支座；123、第二铰接支座；1230、第二铰接孔；13、万向节；131、主体部；132、第一转动部；133、第二转动部；20、第二脊椎单元；30、第三脊椎单元；40、第一关节连接件；50、控制装置；51、机架；511、第一支架；5110、第一中空部；5111、第一开口；5112、第二固定孔；5113、第二转轴；512、第二支架；5120、第二中空部；5121、第二开口；52、驱动模块；521、活动部；5211、第一部分；5212、第二部分；52120、第一固定孔；52121、第一转轴；522、第一驱动件；523、第二驱动件；60、第二关节连接件。

具体实施方式

本部分将详细描述本申请的具体实施例，本申请之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本申请的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

下面将结合实施例和附图对本申请的技术方案作进一步的说明。

请一并参阅图1至图4，第一方面，本申请实施例提供一种仿生机械脊椎1，包括多个依次排布设置的脊椎单元，脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件11、万向节13以及第二关节构件12，第一关节构件11包括第一连接部111、第一固定支座112以及第一铰接支座113，第二关节构件12包括第二连接部121、第二固定支座122以及第二铰接支座123，第一铰接支座113与第二铰接支座123分别连接于万向节13，第一连接部111用于与相邻的前一脊椎单元的第二连接部121可转动连接，第二连接部121用于与相邻的后一脊椎单元的第一连接部111可转动连接，第一固定支座112用于与相邻的后一脊椎单元的第二固定支座122固定连接，第二固定支座122用于与相邻的前一脊椎单元的第一固定支座112固定连接。

本申请提供的仿生机械脊椎1，通过设置脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件11、万向节13以及第二关节构件12，第一关节构件11的第一铰接支座113与第二关节构件12的第二铰接支座123分别连接于万向节13，以使脊椎单元的两个关节构件既能发生相对运动，又能传递扭矩。同时，第一关节构件11的第一连接部111用于与相邻的前一脊椎单元的第二连接部121可转动连接，第二关节构件12的第二连接部121用于与相邻的后一脊椎单元的第一连接部111可转动连接，第一固定支座112用于与相邻的后一脊椎单元的第二固定支座122固定连接，第二固定支座122用于与相邻的前一脊椎单元的第一固定支座112固定连接，这样，当其中一个脊椎单元(以下简称为第一脊椎单元10)的第一连接部111发生转动时，通过第一固定支座112能够带动与该第一脊椎单元10相邻的后一脊椎单元的第二固定支座122与第二连接部121转动，此时在该后一脊椎单元(以下简称为第二脊椎单元20)中，与该第二连接部121连接的第二铰接支座123通过万向节13带动第一铰接支座113转动，该第一铰接支座113带动第一连接部111相对第一脊椎单元10的第二连接部121转动，由于与第二脊椎单元20相邻的后一脊椎单元(以下简称为第三脊椎单元30)的第二固定支座122连接于第二脊椎单元20的第一固定支座112，第二脊椎单元20的第一连接部111在转动时，能够通过第二脊椎单元20的第一固定支座112带动与第三脊椎单元30的第二固定支座122和第二连接部121转动，此时在第三脊椎单元30以及其后的脊椎单元中的结构传动与第二脊椎单元20中发生的运动相似，即，与该第二连接部121连接的第二铰接支座123通过万向节13带动第一铰接支座113转动，以带动第一连接部111相对第二脊椎单元20的第二连接部121转动，通过第三脊椎单元30的第一连接部111和第一固定支座112带动第四脊椎单元的第二固定支座122与第二连接部121转动……从而实现多个脊椎单元的依次联动，以带动仿生机械脊椎1发生弯曲摆动。

可见，采用本申请的仿生脊椎机械，能够使得多个脊椎单元之间密切联动，其中一个脊椎单元的运动能够带动相邻的脊椎单元同步发生运动，通过相邻的两个脊椎单元的依次传动，使得多个脊椎单元同时运动，以驱使仿生机械脊椎1发生弯曲摆动，从而能够提高仿生机械脊椎1的灵活度和仿生性能，同时相邻两个脊椎单元之间通过固定支座固定连接，能够在两个脊椎单元相对转动时相互牵制，以确保仿生机械脊椎1的结构稳定性，避免因相邻的脊椎单元相互脱离，导致仿生机械脊椎1的结构散架情况。

此外，各脊椎单元的结构均相似，能够使得相邻两脊椎单元的旋转角度与方向保持一致，以在仿生机械脊椎1运动时呈现出多段连续体作等曲率弯曲的姿态，同时还能便于关节构件的制造成型。

需要说明的是，此处相邻两个脊椎单元之间的第一连接部111与第二连接部121的可转动连接指的是两自由度的转动，并非单自由度的铰接。

请结合图1以及图5至图7，一些实施例中，定义仿生机械脊椎1的长度方向垂直地面时，仿生机械脊椎1处于直立状态，此时仿生机械脊椎1相当于动物脊椎直立时的姿态，第一固定支座112与第二固定支座122的数量均为多个，多个第一固定支座112均匀并间隔设置于第一连接部111，多个第二固定支座122均匀并间隔设置于第二连接部121，且第二固定支座122与第一固定支座112在空间上交错分布，即当仿生机械脊椎1处于直立状态时，第二固定支座122沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影与第一固定支座112沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影不存在重叠。

从而能够确保第一关节构件11与第二关节构件12在相对转动的过程中不会发生干涉碰撞，以确保仿生机械脊椎1的运行可靠性，提高仿生机械脊椎1的灵活度。同时，由于多个第一固定支座112、多个第二固定支座122均匀分布，能够提高第一活动关节的受力均匀，有利于提高结构的可靠性和运动平稳性。

可选地，本实施例以第一固定支座112、第二固定支座122的数量均为三个为例进行说明，相邻两个第一固定支座112之间的夹角为120°，相邻两个第二固定支座122之间的夹角为120°。仿生机械脊椎1处于直立状态时，第二固定支座122沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影与第一固定支座112沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影形成第一夹角，第一夹角大于0°并小于120°(例如可为30°、45°、60°、90°或105°等)，以确保在运动的过程中相邻两个关节构件不会发生干涉碰撞。

请结合图5、图8以及图9，一些实施例中，仿生机械脊椎1还包括第一关节连接件40，第一关节连接件40的两端分别连接于前一脊椎单元的第一固定支座112与后一脊椎单元的第二固定支座122，以连接相邻的两个脊椎单元，第一固定支座112连接于第一连接部111的远离前一脊椎单元的一侧并向远离前一脊椎单元的方向延伸，第二固定支座122连接于第二连接部121的远离后一脊椎单元的一侧并向远离后一脊椎单元的方向延伸，且第一关节连接件40连接于第一固定支座112的远离第一连接部111的一端与第二固定支座122的远离第二连接部121的一端。

这样，一方面能够避免相邻脊椎单元在相对转动时与第一固定支座112、第二固定支座122发生干涉的情况，以有利于增大相邻两个脊椎单元的相对转动范围，从而有利于增大仿生机械脊椎1的弯曲幅度，提高仿生机械脊椎1的灵活性，另一方面，还能提高结构紧凑度，缩小仿生机械脊椎1的占用空间，以有利于增加脊椎单元的数量，从而扩大仿生机械脊椎1的活动范围，确保仿生机械脊椎1的灵活性。

可选地，定义相邻两个的脊椎单元为脊椎单元组件，各脊椎单元组件的第一关节连接件40的数量与各脊椎单元组件中的第一固定支座112、第二固定支座122的数量相关联，各脊椎单元组件中，第一关节连接件40的数量是第一固定支座112的数量的一半，以使各脊椎单元组件中的其中一个脊椎单元的多个第一关节连接件40与多个第一固定支座112一一对应。

可选地，仿生机械脊椎1处于直立状态时，第一关节连接件40的长度方向平行于仿生机械脊椎1的长度方向，从而能够有利于简化仿生机械脊椎1的结构设计，使得结构更加整洁。

请结合图4、图5以及图10，一些实施例中，万向节13包括主体部131和分别连接于主体部131的第一转动部132和第二转动部133，第一转动部132与第二转动部133分别沿两个相互垂直的方向延伸，第一转动部132与第二转动部133的延伸方向分别垂直于第一连接部111的极轴并过第一连接部111的中心，且第一铰接支座113可转动连接于第一转动部132，第二铰接支座123可转动连接于第二转动部133。

从而能够使得第一关节构件11与第二关节构件12在万向节13处连接形成十字万向节，以使第一关节构件11与第二关节构件12能够进行两自由度的相对转动，以在满足第一铰接支座113和第二铰接支座123分别与万向节13连接的同时，使得第一铰接支座113与第二铰接支座123交错设置，以确保第一关节构件11与第二关节构件12在相对运动时不会发生结构干涉或碰撞的情况，进而提高结构可靠性。

可以理解地，在另一些实施例中，万向节13也可以是球笼式万向节或三枢轴万向节等，或者，也可以是任意允许两个轴在非共线情况下传递旋转运动，使得连接的部件能够在不同方向上发生角度偏离的铰链或连接件。

可选地，第一转动部132与第二转动部133的数量均为两个，第一铰接支座113与第二铰接支座123的数量也均为两个，且两个第一铰接支座113沿第一连接部111的极轴方向均匀分布，两个第二铰接支座123沿第二连接部121的极轴方向均匀分布，两个第一铰接支座113与两个第一转动部132一一对应，两个第二铰接支座123与两个第二转动部133一一对应，从而能够使得脊椎单元的受力均匀，有利于提高各脊椎单元的结构稳定性和运动平稳性，避免脊椎单元在沿不同方向转动时结构脱离连接，导致仿生机械脊椎1的结构散架情况。

可以理解地，在另一些实施例中，第一转动部132与第二转动部133的延伸方向也可以是成锐角设置或成钝角设置，第一转动部132、第二转动部133、第一铰接支座113以及第二铰接支座123的数量均为多个并均匀分布。

请结合图8至图10，可选地，第一转动部132、第二转动部133可均为转轴，第一铰接支座113设有第一铰接孔1130，第二铰接支座123设有第二铰接孔1230，第一转动部132穿设于第一铰接孔1130并相对第一铰接孔1130可转动，第二转动部133穿设于第二铰接孔1230并相对第二铰接孔1230可转动，从而实现万向节13与第一铰接支座113、第二铰接支座123的铰接。

可选地，第一铰接孔1130、第二铰接孔1230还可以设有轴承，或者，第一转动部132、第二转动部133可设有轴套，从而有利于减小第一铰接支座113、第二铰接支座123与万向节13的摩擦力，以减少结构磨损，提高结构可靠性。

可选地，第一转动部132与第二转动部133的远离主体部131的一端均设有限位部，通过限位部限制第一铰接支座113和第二铰接支座123的位移，以提高万向节13与第一铰接支座113、第二铰接支座123的连接可靠性，从而提高仿生机械脊椎1的结构稳定性。

可选地，由前述可知，第一铰接支座113与第二铰接支座123的数量均为两个，且第一铰接支座113与第二铰接支座123垂直分布，基于此，第一铰接孔1130的中心线方向与其中一个第一固定支座112的延伸方向相互垂直，第二铰接孔1230的中心线方向与其中一个第二固定支座122的延伸方向相互平行，以使第一关节构件11沿第二铰接孔1230的中心线方向对称设置，第二关节构件12沿第二铰接孔1230的中心线方向对称设置。这样，在仿生机械脊椎1处于直立状态时的沿其自身的长度方向上的投影中，相邻的第一固定支座112与第二固定支座122的交错形成第一夹角，且第一夹角为60°。从而能够确保仿生机械脊椎1的运行可靠性。

可以理解地，在另一些实施例中，第一铰接孔1130的中心线也可以与任一第一固定支座112的延伸方向形成其它角度，第二铰接孔1230的中心线方向与其中一个第二固定支座122的延伸方向形成其它角度，具体可根据实际需求设置，此处不做限制。

请结合图1、图4以及图11，一些实施例中，仿生机械脊椎1还包括控制装置50，控制装置50包括机架51和驱动模块52，驱动模块52安装于机架51，位于前端的脊椎单元的第二固定支座122固定连接于机架51，驱动模块52可转动连接于脊椎单元的第一连接部111并用于带动第一连接部111运动。

通过驱动模块52在仿生机械脊椎1的前端驱动脊椎单元的第一连接部111运动，以带动相邻的脊椎单元运动，从而驱动仿生脊椎单元发生弯曲摆动，以调节仿生机械脊椎1的形状，模拟动物脊椎的不同姿态。通过在仿生机械脊椎1的端部设置控制装置50以控制多个脊椎单元的运动，能够减少驱动部件的数量，使得控制更加简单，有利于减轻仿生脊椎的重量，提高机器人的灵活度。

可选地，仿生机械脊椎1还包括第二关节连接件60，第二关节连接件60的两端分别固定连接于第二固定支座122与机架51，当仿生机械脊椎1处于直立状态时，第二脊椎单元20上第一关节连接件40沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影与第一关节连接件40沿仿生机械脊椎1的长度方向上的投影重叠，从而能够在确保运动过程中第一关节连接件40与第二关节连接件60不会发生干涉碰撞的前提下，简化仿生机械脊椎1的结构设计，使得结构更加整洁。

可以理解地，在另一些实施例中，控制装置50也可以位于仿生机械脊椎1的后端，即位于后端的脊椎单元的第一固定支座112连接于机架51，或者，控制装置50的数量可为两个，两个控制装置50分别连接于仿生机械脊椎1的前端和后端，通过两个控制装置50联合驱动仿生机械脊椎1，能够增加仿生机械脊椎1的输出，提高仿生机械脊椎1的灵活度和稳定性。

请结合图4、图7以及图11，可选地，驱动模块52包括活动部521和第一驱动件522，活动部521包括第一部分5211和连接于第一部分5211的第二部分5212，第一部分5211可转动连接于位于前端的脊椎单元的第一连接部111，第一连接部111与第一部分5211啮合连接并形成第一齿轮副，且第一驱动件522安装于机架51，第一驱动件522的输出端连接于第二部分5212，第一驱动件522用于驱动第二部分5212转动，以带动第一连接部111运动。

这样，通过第一驱动件522驱动前端的脊椎单元运动，以带动仿生机械脊椎1整体发生摆动，能够实现仿生机械脊椎1的单自由度运动，模拟动物脊椎的姿态变换。同时通过第一齿轮副带动多个脊椎单元运动，能够提高仿生机械脊椎1的运动可靠性和平稳性。

可选地，第一连接部111与第一部分5211二者之一为中凸球齿轮，二者另一为中凹球齿轮。从而使得第一齿轮副为球齿轮副，以使第一齿轮副具有多自由度，并有利于使两个球齿轮沿任一方向按照精确的传动比作纯滚动运动，以使第一连接部111与第一部分5211能够连续平滑地调节其传动比，有利于实现无级变速传动，进而提高仿生机械脊椎1的运动灵活性。

由于第一脊椎单元10的第二关节构件12通过第二关节连接件60固定连接于机架51，第一脊椎单元10的第二关节构件12、第二关节连接件60以及机架51的组合相当于行星轮系中的中心轮，第一脊椎单元10的第一关节构件11、第一连接件以及第二脊椎单元20的第二关节构件12的组合相当于行星轮系中的行星架，第二脊椎单元20的第一关节构件11、第一关节连接件40以及第三脊椎单元30的第二关节构件12的组合相当于行星轮系中的行星轮，当第一部分5211带动第一关节构件11转动时，行星架(即第一脊椎单元10的第一关节构件11、第一连接件以及第二脊椎单元20的第二关节构件12的组合)带动行星轮(即第二脊椎单元20的第一关节构件11、第一关节连接件40以及第三脊椎单元30的第二关节构件12的组合)相对中心轮(即第一脊椎单元10的第二关节构件12、第二关节连接件60以及机架51的组合)发生转动，从而实现仿生机械脊椎1的各脊椎单元的联动运动，以使仿生机械脊椎1进行等曲率弯曲摆动，以模拟动物脊椎的不同姿态。各脊椎单元之间通过球齿轮副连接，能够有利于提高仿生机械脊椎1的自由度，并使两个球齿轮沿任一方向按照精确的传动比作纯滚动运动，以使各球齿轮副之间能够连续平滑地调节其传动比，有利于实现无级变速传动，进而提高仿生机械脊椎1的运动灵活性。

可选地，第一连接部111、第一部分5211以及第二连接部121可均为渐开线环形齿球齿轮，从而能够提高第一齿轮副的传动效率和传动比精确度，提高仿生机械脊椎1的传动效率和运行可靠性。

可以理解地，在另一些实施例中，第一连接部111与第一部分5211可为其它类型的球齿轮，具体可根据实际需求设置，此处不做限制。但需要说明的是，第一连接部111、第二连接部121以及第一部分5211的球齿轮类型需保持一致，以确保多个脊椎单元之间以及脊椎单元与活动部521之间的齿轮能够正常啮合。

请一并参阅图4以及图11至图14，一些实施例中，驱动模块52还包括第二驱动件523，第一驱动件522与第二驱动件523用于驱动活动部521向两个不同的方向运动，机架51包括第一支架511和第二支架512，第一驱动件522安装于第一支架511，且第一驱动件522的输出端连接于第二部分5212，第二驱动件523安装于第二支架512，第二驱动件523的输出端连接于第一支架511，第二驱动件523用于驱动第一支架511转动，第二关节构件12固定连接于第二支架512。

这样，通过设置第一驱动件522的输出端连接于第二部分5212，且第一驱动件522安装于第一支架511，第二驱动件523的输出端连接于第一支架511，以使第一驱动件522可直接驱动活动部521运动，第二驱动件523通过驱动第一支架511运动，并通过第一驱动件522带动活动部521运动。从而能够实现活动部521沿不同方向的运动，以提高仿生机械脊椎1的自由度，进而提高仿生机械脊椎1的灵活性。

可选地，第一驱动件522与第二驱动件523的输出端的轴线方向相互垂直，且第一驱动件522的输出端的轴线与第二驱动件523的输出端的轴线相交处正交于第一部分5211的球心，从而能够使得活动部521能够同时沿两个相互垂直的方向运动，使得仿生机械脊椎1具有两自由度。

可以理解地，在另一些实施例中，第一驱动件522与第二驱动件523的输出端的轴线方向形成锐角或钝角。

可选地，由前述可知，第一部分5211与第一连接部111啮合连接并形成第一齿轮副，第一连接部111与第一部分5211二者之一为中凸球齿轮，二者另一为中凹球齿轮。基于此，第二部分5212连接于第一部分5211的远离第一连接部111的一侧。

一些实施例中，沿第一驱动件522的输出端的轴线方向上，第二部分5212具有两相对侧，其中一侧设有第一固定孔52120，其中另一侧设有第一转轴52121，第一驱动件522穿设于第一固定孔52120并与第二部分5212固定连接，第一转轴52121可转动连接于第一支架511，从而使得活动部521通过第一驱动件522和第一转轴52121安装于第一支架511，以在确保活动部521与第一支架511的连接稳定性的同时，满足第一驱动件522带动活动部521相对第一支架511转动的设计需求。

可选地，第一支架511设有第一中空部5110和连通第一中空部5110的第一开口5111，第二支架512设有第二中空部5120和连通第二中空部5120的第二开口5121，且第一支架511位于第二中空部5120，且第二部分5212位于第一中空部5110，第一部分5211依次经由第一开口5111与第二开口5121伸出机架51并连接于第一关节构件11的第一连接部111。

通过设置中空部和开口，能够合理利用空间，以在满足部件转动的同时缩小驱动模块52的体积，从而有利于缩小控制装置50的占用空间，有利于实现仿生机械脊椎1的小型化设计。

可选地，考虑到第二关节构件12通过第三连接件连接于第二支架512，因此，第一开口5111的尺寸可尽量大，第二开口5121的尺寸足够大即可，基于此，第一支架511的顶部掏空设置，以使第一开口5111覆盖第一支架511的顶部，第二开口5121可为圆孔或矩形孔，且第一开口5111、第二开口5121的尺寸大于第一部分5211的尺寸。从而能够在确保第二关节构件12与第二支架512的连接可靠性的同时，确保活动部521的运动范围。

可选地，由前述可知，第一驱动件522与第二驱动件523的输出端的轴线方向相互垂直，基于此，第一支架511沿两个相互垂直的方向分别具有两个相对侧，定义沿第一驱动件522的输出端的轴线方向上，第一支架511的两相对侧分别为第一侧和第二侧，沿第二驱动件523的输出端的轴线方向上，第一支架511的两相对侧分别为第三侧和第四侧，第二驱动件523连接于第三侧。第一驱动件522安装于第一侧，且第一驱动件522的输出端经由第一侧伸入第一中空部5110，第二侧设有第一轴承，第二部分5212的第一转轴52121穿设于第一轴承。

通过轴承和转轴实现第二部分5212与第一支架511的可转动连接，能够有利于减小活动部521与第一支架511的转动摩擦力，提高仿生机械脊椎1的结构可靠性和运动灵活性。

可选地，第三侧设有第二固定孔5112，第四侧设有第二转轴5113，第二驱动件523的输出端穿设于第二固定孔5112内并与第三侧固定连接，第二转轴5113可转动连接于第二支架512，从而使得第一支架511通过第二驱动件523与第二转轴5113安装于第二支架512，且第一支架511与第二支架512可相对转动。

可选地，第二支架512设有第二轴承，第二转轴5113穿设于第二轴承，以使实现第一支架511可转动连接于第二支架512，以减小第一支架511与第二支架512的转动摩擦力，提高仿生机械脊椎1的结构可靠性和运动灵活性。

一些实施例中，考虑到第一支架511通过第三侧和第四侧连接于第二支架512并位于第二中空部5120，第一驱动件522安装于第一侧，第二驱动件523用于带动第一支架511相对第二支架512转动，基于此，第二支架512的沿第一驱动件522的轴线方向上的两侧掏空，以使第二支架512形成圆环或口字型结构。从而能够减少第二支架512对第一驱动件522组装的空间和结构限制，便于第一驱动件522与第一支架511的组装和拆卸，同时，第一驱动件522能够伸出第二支架512外，以减少第二支架512对第一支架511的转动幅度的限制，从而增大仿生机械脊椎1的活动范围，提高仿生机械脊椎1的灵活性。

可选地，第一支架511与第二支架512的结构可为矩形、球形或椭圆形等，具体可根据实际需求设置，此处不做限制。

可见，本申请通过两个驱动件和球齿轮副实现两自由度的弯曲运动，这恰好对应了动物脊椎的前后左右全方位摆动，具有较大的活动范围，且仿生机械脊椎1在摆动时，呈多节连续体等曲率联动的形态，与动物脊椎运动时的多节椎骨联动弯曲相似，因此本申请的仿生机械脊椎1相较于普通的二轴关节具有更优的仿生性能。同时，本申请采用多个脊椎单元联动的模块化设计，能够便于各脊椎单元的制造和组装，以降低生产和安装难度，各脊椎单元之间紧凑连接，能够有利于减小仿生机械脊椎1的占用空间，以有利于增加脊椎单元的数量，从而扩大仿生机械脊椎1的活动范围，确保仿生机械脊椎1的灵活性。

第二方面，本申请提供了一种机器人(未图示)，包括如上述第一方面所述的仿生机械脊椎1。

可以理解的是，由于机器人包括上述第一方面所述的仿生机械脊椎1，因此，机器人具有上述第一方面所述的仿生机械脊椎1的有益效果，此处不再赘述。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种仿生机械脊椎，其特征在于，包括：

多个依次排布设置的脊椎单元，所述脊椎单元从前至后依次包括第一关节构件、万向节以及第二关节构件，所述第一关节构件包括第一连接部、第一固定支座以及第一铰接支座，所述第二关节构件包括第二连接部、第二固定支座以及第二铰接支座，所述第一铰接支座与所述第二铰接支座分别连接于所述万向节，所述第一连接部用于与相邻的前一所述脊椎单元的所述第二连接部可转动连接，所述第二连接部用于与相邻的后一所述脊椎单元的所述第一连接部可转动连接，所述第一固定支座用于与相邻的后一所述脊椎单元的所述第二固定支座固定连接，所述第二固定支座用于与相邻的前一所述脊椎单元的所述第一固定支座固定连接。

2.根据权利要求1所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述仿生机械脊椎还包括第一关节连接件，所述第一关节连接件的两端分别连接于前一所述脊椎单元的所述第一固定支座与后一所述脊椎单元的所述第二固定支座，以连接相邻的两个所述脊椎单元，所述第一固定支座连接于所述第一连接部的远离前一所述脊椎单元的一侧并向远离前一所述脊椎单元的方向延伸，所述第二固定支座连接于所述第二连接部的远离后一所述脊椎单元的一侧并向远离所述后一所述脊椎单元的方向延伸，且所述第一关节连接件连接于所述第一固定支座的远离所述第一连接部的一端与所述第二固定支座的远离所述第二连接部的一端。

3.根据权利要求1所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述仿生机械脊椎还包括控制装置，所述控制装置包括机架和驱动模块，所述驱动模块安装于所述机架，位于前端的所述脊椎单元的所述第二固定支座连接于所述机架，所述驱动模块可转动连接于所述脊椎单元的所述第一连接部并用于带动所述第一连接部运动。

4.根据权利要求3所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述驱动模块包括第一部分，所述第一连接部与所述第一部分啮合连接并形成第一球齿轮副。

5.根据权利要求4所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述第一连接部与所述第一部分二者之一为中凸球齿轮，二者另一为中凹球齿轮。

6.根据权利要求3所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述驱动模块包括活动部和第一驱动件，所述活动部与所述第一连接部可转动连接，所述第一驱动件安装于所述机架，所述第一驱动件用于驱动所述活动部转动，以带动所述第一连接部运动。

7.根据权利要求6所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述驱动模块还包括第二驱动件，所述第一驱动件与所述第二驱动件用于驱动所述活动部向两个不同的方向运动，所述机架包括第一支架和第二支架，所述第一驱动件安装于所述第一支架，所述活动部包括第一部分和连接于所述第一部分的第二部分，所述第一部分可转动连接于所述第一关节构件，且所述第一驱动件的输出端连接于所述第二部分，所述第二驱动件安装于所述第二支架，所述第二驱动件的输出端连接于所述第一支架，所述第二驱动件用于驱动所述第一支架转动，所述第二固定支座固定连接于所述第二支架。

8.根据权利要求1-7任一项所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述万向节包括主体部和分别连接于所述主体部的第一转动部和第二转动部，所述第一转动部与所述第二转动部分别沿两个相互垂直的方向延伸，且所述第一转动部与所述第二转动部的延伸方向分别垂直于所述第一连接部的极轴并过所述第一连接部的中心，所述第一铰接支座可转动连接于所述第一转动部，所述第二铰接支座可转动连接于所述第二转动部。

9.根据权利要求1-7任一项所述的仿生机械脊椎，其特征在于，所述第一固定支座与所述第二固定支座的数量均为多个，多个所述第一固定支座均匀并间隔设置于所述第一连接部，多个所述第二固定支座均匀并间隔设置于所述第二连接部，且所述第二固定支座与所述第一固定支座在空间上交错分布。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的仿生机械脊椎。