CN101204815B - 气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂 - Google Patents

Abstract

一种气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，主要由肩关节(1)，肘关节(2)，腕关节(3)，手臂支撑架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)组成，其中手臂支撑架(4)与基座(49)固定，并在其中装置气动人工肌肉(44)，通过与气动人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)通过滑轮组(B0)，(B1)，(B2)，(B3)，(B4)和(B5)实现X，Y，Z轴的转动；驱动肘关节(2)和腕关节(3)动作的气动人工肌肉(52)设置在上臂(5)中，通过与其连接的绳索(A2)直接操控肘轴(21)或通过套管钢丝(A2，A3)分别附在腕部(32)和手掌(34)上实现了绕前臂(6)的旋转和侧向运动。本发明输出力大，操控柔顺，结构简单，重量轻，使用维护修理简易。

Description

气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂

技术领域

本发明涉及一种仿人手臂，尤其是一种由气动人工肌肉驱动的仿人机器人手臂。

背景技术

随着机器人技术的日臻成熟，其应用领域不断扩大。困扰仿人手臂发展的一大因素正是驱动器。关节间的旋转运动使人们自然而然的想到用同样输出旋转运动的电机作为仿人手臂的动力源。基于电机驱动的思想势必给仿人手臂的机构设计带来巨大的困难，其尺寸大于人手、握持力小、机构复杂等。以生物肌肉运动原理为蓝图而设计开发出来的驱动器——气动人工肌肉，以其简单的设计、低廉的成本、独特的仿生性、很高的输出力/重量比和良好的柔顺性等特点近年来在机器人领域得到了越来越广泛的重视。气动人工肌肉是迄今为止人类发明的一种最接近于生物肌肉特性、性能价格比最高的驱动器之一。基于气动人工肌肉设计的仿人手臂结构紧凑、输出力/重量比高、适合于柔顺控制作业等。

世界各国研究工作者对仿人手臂的开发都投入了极大的热情。

20世纪末，美国国家航空和宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外作业的机器人宇航员，用于修理出故障的卫星和空间站。太空机器人体态小巧，身手敏捷，完全胜任在宇宙飞船上执行任务。机器人宇航员体形和真人相仿，有着结实的躯干和灵巧的NASA灵巧手和手臂。该手完全模拟人手的结构与动作，由1个前臂、1个手腕和5个手指组成，共14个自由度(手腕2个自由度，拇指、食指和中指各3个，无名指、小指和手掌各1个自由度)。目前该手可以拿起一些常用工具进行操作。两架彩色立体成像照相机充作双眼。为了防备空间射线和温差变化造成的伤害，它也穿上了宇航服。在某些方面，机器人宇航员比人还灵巧，它手腕的转动幅度比我们大，摆弄起电动工具和绳索来得心应手。

麻省理工学院所研究的“科戈”(COG)人形机器人，被作为人和人工智能等领域的一个平台。“科戈”由头、躯干、胳膊及双手组成，它的臂必须像人类那样具有柔顺性。“科戈”的第一条手臂以全新的方式工作，每个关节都有一个弹簧，从而使“科戈”获得了柔顺性。

美国华盛顿大学还研制出一个具有智能的气动软臂机器人，具有6个自由度，不仅可以作为服务机器人使用，而且可以作为进一步开发智能机器人的平台。

中国人口结构日趋老龄化，老龄人口正以每年3.2％的速度增长，到下世纪中叶，我国老龄人口将可能占到总人口的四分之一以上，这对我国的经济腾飞和社会稳定将带来不可估量的影响，全社会要未雨绸缪，早做准备。护理机器人能在一定程度内代替人，为高龄老人喝水、送药、进食等作一些护理工作，被科学家公认为一种解决人口老龄化社会问题的有效措施。从护理机器人的工作性质来看，护理机器人必须要具有服务化、人性化和亲和力，这除了要求护理机械手臂具有人手臂一般大小外，还需要它具有充分的自由度和柔顺性。因此，研制开发仿人护理柔性机械手臂是解决未来老龄化社会问题的有效措施，具有广阔的应用前景。

根据上述可知作为机器人意向的执行部件—机械手臂的结构组成的重要性，它执行的准确与否，有力与否除了驱动源的操纵与控制非常关键之外，机械手臂的结构组成也是非常关键的部件，为此设计出达到仿人手要求的仿人机械手臂的结构乃当务之急。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种用气动人工肌肉驱动的仿人手臂，利用其独特的柔顺操控技术使机器人的手臂具有人臂一样的功能，使其具有象人一样的肩关节，肘关节和腕关节，实现其肩关节的三个旋转自由度，肘关节的两个旋转自由度，腕关节的两个旋转自由度；结构的基本形式是采用气动人工肌肉为驱动器通过钢丝(或绳索)操控滑轮组或采用套管钢丝的柔性操控实现驱动动作。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，主要由肩关节(1)，肘关节(2)，腕关节(3)，手臂支撑架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)组成，其中：由立板(40)、顶板(47)和底板(48)构成手臂支撑架(4)，并与基座(49)固定，在立板(40)的顶部固定有滑轮组支架(46)，由顶轴(15)，前支撑块(11)，后支撑块(12)，顶盘(45)，支柱(43)，底盘(42)和底盘转轴(41)连接成为一整体结构，并通过球轴承和推力球轴承与顶板(47)和底板(48)相连接，绕Z轴方向转动，驱动肩关节(1)绕Z轴转动的气动人工肌肉(44)直接固定在手臂支撑架(4)的底板(48)上，与人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)通过滑轮组支架(46)上的滑轮组(B4)拖动顶轴(15)和底盘转轴(41)实现肩关节绕Z轴方向的旋转，绕Z轴旋转可达-90°到90°，4支气动人工肌肉(44)固定在底盘(42)上，与气动人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)带动固定在前支撑块(11)和后支撑块(12)上的两组滑轮组(B0)拖动中轴(13)转动，实现肩关节(1)绕X向的旋转，可达-60°到120°，与气动人工肌肉(44)连接的钢丝(A11)绕过(B1)，(B2)，(B3)滑轮组通过中轴(13)与小定向轮(B5)拖动前轴(14)绕Y轴转动，绕Y轴运动范围是0°到180°；肩连接块(18)，上臂上盘(51)，上臂下盘(54)，上臂杆(53)和肘连接块(23)连接成一整体结构，并通过肩连接块(18)与肩关节(1)的肩连接块(17)相连接，驱动肘关节(2)和腕关节(3)动作的全部气动人工肌肉(52)都设置于上臂下盘(54)和上臂上盘(51)之间，并与上臂上盘(51)连接，驱动肘关节(2)X轴的两支气动人工肌肉(52)连接的绳索(A2)穿过上臂下盘(54)直接带动肘轴(21)旋转，实现X向的运动，驱动肘关节(2)Y向的动作采用绳索(A2)直接穿过管套(A3)组成的套管钢丝(A2)，(A3)与腕关节(3)连接，再通过腕部(32)的掌关节(33)与手掌(34)连接，驱动腕关节(3)的4根柔索(7)穿过管套(A3)组成的套管钢丝(A2)，(A3)分别附在腕部(32)和手掌(34)上，实现腕关节(3)绕前臂(6)的旋转，可达-45°到45°和绕前臂(6)末端的侧向运动可达-45°到45°。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明总体结构可实现七个自由度的运动，肩关节有3个旋转自由度，可以实现上臂的旋转、抬起和前伸的运动，肘关节有两个旋转自由度，可以实现前臂的屈伸和旋转动作，腕关节亦有两个旋转自由度，可以实现手掌两个轴向的转动。手臂运动空间大，结构简单，可以减少手臂的质量使其减小运动时的惯量，使用维护修理简易。

2、本发明与气动人工肌肉配套使用，输出力大，且具有很强的柔顺性。

3、本发明在肩关节的驱动上采用滑轮组，肘关节采用套管钢丝操控的方法使得肌肉放置更加合理，从而使结构设计得非常紧凑。

附图说明

图1为本发明气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂总体结构立体示意图

图2A为本发明肩部及其关节结构立体示意图

图2B为本发明肩关节结构放大的立体示意图

图2C为本发明图2B的A-A剖视示意图

图3为本发明上臂及肘关节结构放大的立体示意图

图4为本发明前臂及腕关节结构放大的立体示意图

具体实施方式

由图1、图2A、图2B、图2C、图3和图4示出，一种气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，主要由肩关节1，肘关节2，腕关节3，手臂支撑架4，上臂5，前臂6和柔索7组成，其中：由立板40、顶板47和底板48构成手臂支撑架4，并与基座49固定，在立板40的顶部固定有滑轮组支架46，由顶轴15，前支撑块11，后支撑块12，顶盘45，支柱43，底盘42和底盘转轴41连接成为一整体结构，并通过球轴承和推力球轴承与顶板47和底板48相连接，绕Z轴方向转动，驱动肩关节1绕Z轴转动的气动人工肌肉44直接固定在手臂支撑架4的底板48上，与人工肌肉44连接的钢丝A1通过滑轮组支架46上的滑轮组B4拖动顶轴15和底盘转轴41实现肩关节绕Z轴方向的旋转，绕Z轴旋转可达-90°到90°，4支气动人工肌肉44固定在底盘42上，与气动人工肌肉44连接的钢丝A1带动固定在前支撑块11和后支撑块12上的两组滑轮组B0拖动中轴13转动，实现肩关节1绕X向的旋转，可达-60°到120°，与气动人工肌肉44连接的钢丝A11绕过B1，B2，B3滑轮组通过中轴13与小定向轮B5拖动前轴14绕Y轴转动，绕Y轴运动范围是0°到180°；肩连接块18，上臂上盘51，上臂下盘54，上臂杆53和肘连接块23连接成一整体结构，并通过肩连接块18与肩关节1的肩连接块17相连接，驱动肘关节2和腕关节3动作的全部气动人工肌肉52都设置于上臂下盘54和上臂上盘51之间，并与上臂上盘51连接，驱动肘关节2X轴的两支气动人工肌肉52连接的绳索A2穿过上臂下盘54直接带动肘轴21旋转，实现X向的运动，驱动肘关节2Y向的动作采用绳索A2直接穿过管套A3组成的套管钢丝A2，A3与腕关节3连接，再通过腕部32的掌关节33与手掌34连接，驱动腕关节3的4根柔索7穿过管套A3组成的套管钢丝A2，A3分别附在腕部32和手掌34上，实现腕关节3绕前臂6的旋转，可达-45°到45°和绕前臂6末端的侧向运动可达-45°到45°。

另知，从图示的结构可以看出，本发明将肩关节的驱动部分放在躯干中，这样可以减少手臂的质量以减小运动时的惯量。肩关节的这种设计使得我们可以将肘关节、腕关节、手部关节的驱动放在手臂上。这样使得惯性越小，运动的速度就可以越快，控制运动的力就可以越小。

采用套管钢丝的操控技术，它的结构简单，可以不用滑轮组能随意改变方向，这一技术来源于自行车的刹车系统。

从采用驱动源，传感器，对结构中运动自由度和形态功能方面的分析和分解自由度的结构总体设计方法是可行的，且易于结构的实现和操控，最终可以获得一输出力大，操控柔顺，结构简单，重量轻，易于使用维护和修理的结构总体。

Claims (1)

1.一种气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂，主要由肩关节(1)，肘关节(2)，腕关节(3)，手臂支撑架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)组成，其特征在于：由立板(40)、顶板(47)和底板(48)构成手臂支撑架(4)，并与基座(49)固定，在立板(40)的顶部固定有滑轮组支架(46)，由顶轴(15)，前支撑块(11)，后支撑块(12)，顶盘(45)，支柱(43)，底盘(42)和底盘转轴(41)连接成为一整体结构，并通过球轴承和推力球轴承与顶板(47)和底板(48)相连接，绕Z轴方向转动，驱动肩关节(1)绕Z轴转动的气动人工肌肉(44)直接固定在手臂支撑架(4)的底板(48)上，与人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)通过滑轮组支架(46)上的滑轮组(B4)拖动顶轴(15)和底盘转轴(41)实现肩关节绕Z轴方向的旋转，绕Z轴旋转可达-90°到90°，4支气动人工肌肉(44)固定在底盘(42)上，与气动人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)带动固定在前支撑块(11)和后支撑块(12)上的两组滑轮组(B0)拖动中轴(13)转动，实现肩关节(1)绕X向的旋转，可达-60°到120°，与气动人工肌肉(44)连接的钢丝(A1)绕过第一滑轮组(B1)、第二滑轮组(B2)、第三滑轮组(B3)再通过中轴(13)与小定向轮(B5)拖动前轴(14)绕Y轴转动，绕Y轴运动范围是0°到180°；近上臂肩连接块(18)，上臂上盘(51)，上臂下盘(54)，上臂杆(53)和肘连接块(23)连接成一整体结构，并通过近上臂肩连接块(18)与近肩关节肩连接块(17)相连接，驱动肘关节(2)和腕关节(3)动作的全部气动人工肌肉(52)都设置于上臂下盘(54)和上臂上盘(51)之间，并与上臂上盘(51)连接，驱动肘关节(2)X轴的两支气动人工肌肉(52)连接的绳索(A2)穿过上臂下盘(54)直接带动肘轴(21)旋转，实现X向的运动，驱动肘关节(2)Y向的动作采用绳索(A2)直接穿过管套(A3)与腕关节(3)连接，再通过腕部(32)的掌关节(33)与手掌(34)连接，驱动腕关节(3)的4根柔索(7)穿过管套(A3)分别附在腕部(32)和手掌(34)上，实现腕关节(3)绕前臂(6)的旋转，可达-45°到45°和绕前臂(6)末端的侧向运动可达-45°到45°。

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