CN102922536B - 机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构,包括上连接杆、下连接杆、转轴连接块、转轴、弹簧挡板组件、下支撑板转轴槽、转轴槽、上支撑杆、下支撑杆、调长螺母、压紧弹簧、左气动肌肉和右气动肌肉等。上连杆和下连杆用于连接仿生机构中需要相对转动的两个肢体。转轴连接块中开有三个椭圆跑道形转轴槽,上支撑转轴槽、左转轴槽和右转轴槽。左右气动肌肉与中间支撑杆的距离可分别调节,转轴的高度和上支撑杆的长度可调节,从而使得机构可根据不同的运动轨迹要求,进行调节,增强了机构的通用性。本机构可以通过调节转轴在转轴槽中的位置,来适应不同的应用场合,可通过压紧弹簧来调节安全性。

Description

机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构
技术领域
[0001] 本发明属于仿生机构设计领域,涉及一种双气动肌肉驱动的、仿生机器人用的柔性关节装置。
背景技术
[0002]多数的仿生机构中转动关节采用定轴转动方式,机构便于实现,控制简单。但动物和人类的骨骼型转动并不是定轴转动方式,而是复杂的骨头端面曲面相互的啮合滑动,类似于机械中的凸轮机构,但曲面要复杂的多。多连杆机构的转动机构是目前仿生机构设计中的热点和方向。同时,电机驱动的机构,运动刚性大,不具备柔顺性,模拟动物和人类肢体的柔顺性运动特性很困难。气动人工肌肉是一种充气作用下,直径会变粗,长度会缩短的气动执行器,越来越多地被用于仿生机构中。常见的气动肌肉驱动的关节多采用滑轮结构。气动人工肌肉驱动的多连杆转动机构是仿生机构研究领域的重点,尤其是四连杆机构。但目前的设计方式是根据需要模拟的运动轨迹来进行多连杆机构综合,确定机构参数。不同的运动轨迹和关节转动要求,需要不同参数的机构。由于仿生机构的运动轨迹和转动特性变化大,使得仿生机构设计工作变得繁琐。气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手结构(200610066259.1),气动人工肌肉驱动的七自由度仿人手臂(200710098051.2),一种基于气动人工肌肉的柔性机械手(200910098976.6),机器人的关节驱动装置(201010233153.2)等专利都采用了气动肌肉作为关节驱动器,但气动肌肉与肢体或关节都采用了固定链接,且气动肌肉的安装不可调节,关节的转动特性固定。
[0003] 若能设计出一种机构参数可根据运动要求进行调节的仿生关节机构,其通用性强、适用面广,将大大降低仿生机构设计工作量,且可提高机构工作性能和仿生性能。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足,提供了机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构。
[0005] 本发明包括上连杆、下连杆、转轴连接块、转轴、弹簧挡板组件、下支撑板转轴槽、转轴槽、上支撑杆、下支撑杆、调长螺母、压紧弹簧、左气动肌肉和右气动肌肉等。
[0006] 上连杆和下连杆用于连接仿生机构中需要相对转动的两个肢体;上连杆固定安装在转轴连接块上;转轴连接块中开有三个椭圆跑道形转轴槽,上支撑转轴槽、左转轴槽和右转轴槽;上支撑转轴槽为垂直方向,上端安装有预压缩后的压紧弹簧,压紧弹簧的下端面被弹簧挡板组件挡住,限制了压紧弹簧的伸长;弹簧挡板组件由中空的挡板和两端的锁紧螺母组成,位置可在上支撑转轴槽内调节;转轴穿过弹簧挡板组件的挡板中间,并被压紧弹簧的下端面顶住,转轴的位置也可在上支撑转轴槽内调节;水平方向的左转轴槽和右转轴槽内对应安装有同样结构的左转轴螺母组件和右转轴螺母组件;左、右转轴螺母组件分别通过连杆与左、右气动肌肉上端连接;连杆可分别绕左、右转轴螺母组件转动;左、右气动肌肉下端分别通过连杆和左、右转轴螺母组件与下支撑板转轴槽连接;上支撑杆与上支撑转轴槽中的转轴连接,并可绕转轴转动;上支撑杆通过调长螺母与下支撑杆连接,并可通过调长螺母的旋紧和放松来调节长度;下支撑杆与下支撑板转轴槽固定连接;左、右气动肌肉下端的接头上分别开有左、右气压调节口,并可通过左、右气压调节口分别调节左、右气动肌肉内腔的气压。
[0007] 本发明相比于现有技术具有以下有益效果:
[0008] 机构的主要参数都可调节。左右气动肌肉与中间支撑杆的距离可分别调节,转轴的高度和上支撑杆的长度可调节,从而使得机构可根据不同的运动轨迹要求,进行调节,增强了机构的通用性。
[0009] 当转轴和左右气动肌肉的转轴螺母组件在同一高度上,且左右气动肌肉距离中间支撑杆等距时,机构为通常的对称运动机构。当转轴向上调节时,机构在相同的气动肌肉收缩量下,摆动角度会变大。当左转轴螺母组件向中间支撑杆靠近时,机构向左侧摆动角度范围会大于向右侧摆动角度范围。
[0010] 可通过调节压紧弹簧的预应力来设定关节可承受的最大轴向压力,压力过大时,转轴可压缩压紧弹簧,从而增强仿生关节的安全性。
[0011] 本机构可以通过调节转轴在转轴槽中的位置,来适应不同的应用场合,如肩关节(双向摆动)、肘关节(单向摆动)等。
附图说明
[0012] 图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0013] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0014] 如图1所示,机构参数可根据运动要求进行调节的仿生关节机构包括上连杆1、下连杆13、转轴连接块20、转轴4、弹簧挡板组件3、下支撑板转轴槽12、左转轴槽19、右转轴槽7、上支撑杆5、下支撑杆14、调长螺母15、压紧弹簧21、左气动肌肉17和右气动肌肉10
坐寸ο
[0015] 上连杆I和下连杆13与连接仿生机构中需要相对转动的两个肢体分别固定连接;上连杆I固定安装在转轴连接块20上;转轴连接块20中开有三个椭圆跑道形转轴槽,上支撑转轴槽2、左转轴槽19和右转轴槽7。上支撑转轴槽2垂直方向开,上端安装有预压缩后的压紧弹簧21,压紧弹簧21的下端面被弹簧挡板组件3挡住,限制了压紧弹簧21的伸长;弹簧挡板组件3由中空的挡板和两端的锁紧螺母组成,位置可在上支撑转轴槽2内调节•’转轴4穿过弹簧挡板组件3的挡板中间,并被压紧弹簧21的下端面顶住,转轴4的位置也可在上支撑转轴槽2内调节;水平方向的左转轴槽19和右转轴槽7内对应安装有同样结构的左转轴螺母组件18和右转轴螺母组件6 ;右转轴螺母组件6与连杆8连接,连杆8可绕右转轴螺母组件6转动;连杆8通过接头9与右气动肌肉10上端连接;右气动肌肉10下端通过同样的接头9、连杆8和右转轴螺母组件6与下支撑板转轴槽12连接;左气动肌肉17的上端通过同样的接头9和连杆8与左转轴螺母组件18连接;左气动肌肉17的下端通过同样的接头9、连杆8和左转轴螺母组件18与下支撑板转轴槽12连接;上支撑杆5与上支撑转轴槽2中的转轴4连接,并可绕转轴4转动;上支撑杆5通过调长螺母15与下支撑杆14连接,并可通过调长螺母15的旋紧和放松来调节中间支撑杆的总体长度;下支撑杆14与下支撑板转轴槽12固定连接;右气动肌肉10下端的接头9上开有右气压调节口 11 ;左气动肌肉17下端的接头9上开有左气压调节口 16,并可通过电磁比例阀和左、右气压调节口 16、11,来调节左、右气动肌肉17、10内腔的气压;调高左气动肌肉17内腔压力时,右气动肌肉10内腔应与大气相同,左气动肌肉17收缩变短,右气动肌肉10被拉长,且此时机构向左摆动;调高右气动肌肉10内腔压力时,左气动肌肉17内腔应与大气相同,右气动肌肉10收缩变短,左气动肌肉17被拉长,且此时机构向右摆动。
[0016] 当需要调节机构参数以适应不同的运动需求时,对于中间支撑杆,可通过先放松弹簧挡板组件3上的锁紧螺母,调节转轴4在上支撑转轴槽2中的位置,调节好后,通过旋紧弹簧挡板组件3上的锁紧螺母来固定转轴4的位置;对于左、右气动肌肉17、10,采用相同的调节方式。通过调节弹簧挡板组件3在上支撑转轴槽2中的位置,可调节压紧弹簧21的预应力,从而改变关节可承受最大轴向力设置。
[0017] 由于气动肌肉只能收缩,被拉长量很小,所以在安装时,初始状态时,左、右气动肌肉17、10都需要先收缩预紧。

Claims (1)

1.机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构,包括上连杆(I)、下连杆(13)、转轴连接块(20)、转轴(4)、弹簧挡板组件(3)、下支撑板转轴槽(12)、左转轴槽(19)、右转轴槽(7)、上支撑杆(5)、下支撑杆(14)、调长螺母(15)、压紧弹簧(21)、左气动肌肉(17)和右气动肌肉(10),其特征在于:上连杆(I)和下连杆(13)用于连接仿生机构中需要相对转动的两个肢体;上连杆(I)固定安装在转轴连接块(20)上;转轴连接块(20)中开有三个椭圆跑道形转轴槽,上支撑转轴槽(2)、左转轴槽(19)和右转轴槽(7);上支撑转轴槽(2)为垂直方向,上端安装有预压缩后的压紧弹簧(21),压紧弹簧(21)的下端面被弹簧挡板组件(3)挡住,限制了压紧弹簧(21)的伸长;弹簧挡板组件(3)由中空的挡板和两端的锁紧螺母组成,位置可在上支撑转轴槽⑵内调节;转轴⑷穿过弹簧挡板组件⑶的挡板中间,并被压紧弹簧(21)的下端面顶住,转轴(4)的位置也可在上支撑转轴槽(2)内调节;水平方向的左转轴槽(19)和右转轴槽(7)内对应安装有同样结构的左转轴螺母组件(18)和右转轴螺母组件出);左、右转轴螺母组件(18、6)分别通过连杆(8)与左、右气动肌肉(17、10)上端连接;连杆(8)可分别绕左、右转轴螺母组件(18、6)转动;左、右气动肌肉(17、10)下端分别通过连杆(8)和左、右转轴螺母组件(18、6)与下支撑板转轴槽(12)连接;上支撑杆(5)与上支撑转轴槽(2)中的转轴(4)连接,并可绕转轴(4)转动;上支撑杆(5)通过调长螺母(15)与下支撑杆(14)连接,并可通过调长螺母(15)的旋紧和放松来调节长度;下支撑杆(14)与下支撑板转轴槽(12)固定连接;左、右气动肌肉(17、10)下端的接头上分别开有左、右气压调节口(16、11),并可通过电磁比例阀和左、右气压调节口(16、11),来调节左、右气动肌肉(17、10)内腔的气压。
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