CN103029135B - 一种仿肌肉驱动的机器人关节 - Google Patents

Abstract

一种仿肌肉驱动的机器人关节，属于仿生机器人关节技术领域，特别是涉及一种由双曲柄滑块机构组成的类似于人体肌肉对抗驱动特征的仿肌肉驱动的机器人关节。本发明动作灵活、工作空间大、结构简单且能够模拟人类肌肉变刚度非线性驱动。本发明包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮，后置、前置曲柄滑块机构设置有机架固联直线导轨，在机架固联直线导轨上安装有滑块，滑块与连杆一端相连；在机架回转中心处安装有定轴转动曲柄的首端，连杆的另一端与定轴转动曲柄的末端相连接；在定滑轮回转中心处安装有定滑轮，定滑轮上安装有柔索，柔索的两端分别与后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处及前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处相连。

Description

一种仿肌肉驱动的机器人关节

技术领域

本发明属于仿生机器人关节技术领域，特别是涉及一种由双曲柄滑块机构组成的类似于人体肌肉对抗驱动特征的仿肌肉驱动的机器人关节。

背景技术

人类关节具有动作灵活，重量轻，输出力大的特点。采用并联对抗驱动的机器人关节由于在驱动方式上与人类关节动作原理相一致，且便于对人类关节的动作特性进行模拟，所以越来越受到科研人员的重视。如何使机器人关节最大程度地模仿人类关节的动作原理与动作特性，从而使其具有与人类关节相似的功能特点，一直是研究人员努力的目标。在近年来出现的采用并联对抗驱动的机器人关节中，有代表性的可以分为以下三类：

1、基于气动人工肌肉并联对抗驱动的机器人关节，该关节采用两个气动人工肌肉提供驱动力，驱动力大但定位精度低，运动过程中易产生振动。

2、基于旋转电机并联对抗驱动的机器人关节，其特点是驱动力大、精度高，但关节部分结构较为复杂且需要加装绕线装置。

3、基于压电驱动器并联对抗驱动的机器人关节，该关节虽具有结构简单、体积小的优点，但驱动力也小，只适用于驱动小型关节。

上述三类现有的机器人关节机构在模仿人类关节动作方面都还存在不少的局限性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种动作灵活、工作空间大、结构简单且能够模拟人类肌肉变刚度非线性驱动的仿肌肉驱动的机器人关节。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种仿肌肉驱动的机器人关节，包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮，所述的后置曲柄滑块机构设置有后置机架固联直线导轨，在所述的后置机架固联直线导轨上安装有后置滑块，所述的后置滑块与后置连杆的一端相连；在后置机架回转中心处安装有后置定轴转动曲柄的一端，所述的后置连杆的另一端与后置定轴转动曲柄的另一端相连接；所述的前置曲柄滑块机构设置有前置机架固联直线导轨，在所述的前置机架固联直线导轨上安装有前置滑块，所述的前置滑块与前置连杆的一端相连；在前置机架回转中心处安装有前置定轴转动曲柄的一端，所述的前置连杆的另一端与前置定轴转动曲柄的另一端相连接；在定滑轮回转中心处安装有定滑轮，所述的定滑轮上安装有柔索，所述的柔索的一端同后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处相连接，另一端同前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处相连接。

所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用水平对置曲柄滑块机构，后置机架回转中心位于后置机架固联直线导轨的延长线上，前置机架回转中心位于前置机架固联直线导轨的延长线上。

所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用偏置曲柄滑块机构，后置机架回转中心及前置机架回转中心分别分布在后置机架固联直线导轨及前置机架固联直线导轨延长线的两侧。

在所述的定滑轮逆时针旋转方向上的柔索一端设置有逆切向端线性弹簧和逆切向端定轴转动压轮，在定滑轮顺时针旋转方向上的柔索一端设置有顺切向端线性弹簧和顺切向端定轴转动压轮。

本发明的有益效果：

1、本发明的驱动部分为两组曲柄滑块机构，具有关节结构简单，动作灵活，工作空间大的特点。

2、本发明可实现关节的变刚度对抗驱动，具有人类肌肉中屈肌和伸肌的对抗牵拉作用特征。

3、本发明所述关节的总体结构与人类手臂相似。

4、本发明的曲柄滑块机构既可以是水平对置的布置也可以是偏置的布置，曲柄滑块机构的其它参数也可以灵活配置，以满足关节总体结构设计需求。

附图说明

图1为本发明的仿肌肉驱动的机器人关节的结构示意图；

图2为本发明的仿肌肉驱动的机器人关节做逆时针回转的结构示意图；

图3为本发明的仿肌肉驱动的机器人关节做顺时针回转的结构示意图；

图4为本发明的仿肌肉驱动的机器人关节串联线性弹簧后的结构示意图；

图5为本发明的仿肌肉驱动的机器人关节采用偏置曲柄滑块机构时的结构示意图；

图中，1—后置机架固联直线导轨，2—前置机架固联直线导轨，3—后置定轴转动曲柄，4—后置连杆，5—后置滑块，6—前置滑块，7—前置连杆，8—前置定轴转动曲柄，9—柔索，10—定滑轮，11—逆切向端定轴转动压轮，12—逆切向端线性弹簧，13—顺切向端定轴转动压轮，14—顺切向端线性弹簧，A—后置机架回转中心，B—后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处，C—前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处，D—前置机架回转中心，E—定滑轮回转中心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种仿肌肉驱动的机器人关节，包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮10，所述的后置曲柄滑块机构设置有后置机架固联直线导轨1，在所述的后置机架固联直线导轨1上安装有后置滑块5，所述的后置滑块5与后置连杆4的一端相连；在后置机架回转中心A处安装有后置定轴转动曲柄3的一端，所述的后置连杆4的另一端与后置定轴转动曲柄3的另一端相连接；所述的前置曲柄滑块机构设置有前置机架固联直线导轨2，在所述的前置机架固联直线导轨2上安装有前置滑块6，所述的前置滑块6与前置连杆7的一端相连；在前置机架回转中心D处安装有前置定轴转动曲柄8的一端，所述的前置连杆7的另一端与前置定轴转动曲柄8的另一端相连接；在定滑轮回转中心E处安装有定滑轮10，所述的定滑轮10上安装有柔索9，所述的柔索9的一端同后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B相连接，另一端同前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C相连接。

所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用水平对置曲柄滑块机构，后置机架回转中心A位于后置机架固联直线导轨1的延长线上，前置机架回转中心D位于前置机架固联直线导轨2的延长线上。

实施例2：

如图5所示，一种仿肌肉驱动的机器人关节，包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮10，所述的后置曲柄滑块机构设置有后置机架固联直线导轨1，在所述的后置机架固联直线导轨1上安装有后置滑块5，所述的后置滑块5与后置连杆4的一端相连；在后置机架回转中心A处安装有后置定轴转动曲柄3的首端，所述的后置连杆4的另一端与后置定轴转动曲柄3的末端相连接；所述的前置曲柄滑块机构设置有前置机架固联直线导轨2，在所述的前置机架固联直线导轨2上安装有前置滑块6，所述的前置滑块6与前置连杆7的一端相连；在前置机架回转中心D处安装有前置定轴转动曲柄8的首端，所述的前置连杆7的另一端与前置定轴转动曲柄8的末端相连接；在定滑轮回转中心E处安装有定滑轮10，所述的定滑轮10上安装有柔索9，所述的柔索9的两端分别与后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B及前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C相连接。

所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用偏置曲柄滑块机构，后置机架回转中心A及前置机架回转中心D分别分布在后置机架固联直线导轨1及前置机架固联直线导轨2延长线的两侧。

实施例3：

如图4所示，一种仿肌肉驱动的机器人关节，包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮10，所述的后置曲柄滑块机构设置有后置机架固联直线导轨1，在所述的后置机架固联直线导轨1上安装有后置滑块5，所述的后置滑块5与后置连杆4的一端相连；在后置机架回转中心A处安装有后置定轴转动曲柄3的首端，所述的后置连杆4的另一端与后置定轴转动曲柄3的末端相连接；所述的前置曲柄滑块机构设置有前置机架固联直线导轨2，在所述的前置机架固联直线导轨2上安装有前置滑块6，所述的前置滑块6与前置连杆7的一端相连；在前置机架回转中心D处安装有前置定轴转动曲柄8的首端，所述的前置连杆7的另一端与前置定轴转动曲柄8的末端相连接；在定滑轮回转中心E处安装有定滑轮10，所述的定滑轮10上安装有柔索9，所述的柔索9的两端分别与后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B及前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C相连接。

在所述的定滑轮10逆时针旋转方向上的柔索9一端设置有逆切向端线性弹簧12和逆切向端定轴转动压轮11，在定滑轮10顺时针旋转方向上的柔索9一端设置有顺切向端线性弹簧14和顺切向端定轴转动压轮13。

下面结合附图说明本发明的具体实施例的动作过程：

如图2所示，为仿肌肉驱动的机器人关节做逆时针回转：

后置滑块5沿后置机架固联直线导轨1与前置滑块6沿前置机架固联直线导轨2做相配合的相背运动时，带动后置连杆4和前置连杆7实现导轨两侧的后置定轴转动曲柄3和前置定轴转动曲柄8的运动，导致后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B和前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C空间位置的变化。由于柔索9的两端分别与后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B和前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C相连，柔索9上侧伸长，柔索9下侧收缩，由于柔索9与定滑轮10之间不存在滑动摩擦，故带动定滑轮10逆时针回转，最终实现驱动关节做逆时针回转。

如图3所示，为仿肌肉驱动的机器人关节做顺时针回转：

后置滑块5沿后置机架固联直线导轨1与前置滑块6沿前置机架固联直线导轨2做相配合的相向运动时，带动后置连杆4和前置连杆7实现导轨两侧的后置定轴转动曲柄3和前置定轴转动曲柄8的运动，导致后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B和前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C空间位置的变化。由于柔索9的两端分别与后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处B和前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处C相连，柔索9上侧收缩，柔索9下侧伸长，由于柔索9与定滑轮10之间不存在滑动摩擦，故带动定滑轮10顺时针回转，最终实现驱动关节做顺时针回转。

如图4所示，为仿肌肉驱动的机器人关节串联线性弹簧：

在图1所示的结构基础上，在定滑轮10逆时针旋转方向上柔索9一端设置有逆切向端线性弹簧12和逆切向端定轴转动压轮11，在定滑轮10顺时针旋转方向上柔索9一端设置有顺切向端线性弹簧14和顺切向端定轴转动压轮13。当后置滑块5沿后置机架固联直线导轨1与前置滑块6沿前置机架固联直线导轨2做相配合的向左运动时，带动后置连杆4和前置连杆7实现导轨两侧的柔索9产生相同的拉伸量，此时定滑轮10不发生转动，而仿肌肉驱动的机器人关节却在刚度上有所增加，反之刚度降低。若两滑块间相配合的做相背运动，定滑轮10逆时针转动，动作原理同图2。若两滑块间相配合的做相向运动，定滑轮10顺时针转动，动作原理同图3。

如图5所示，为仿肌肉驱动的机器人关节采用偏置曲柄滑块机构：

在图1所示的结构基础上，后置机架回转中心A及前置机架回转中心D分别分布在后置机架固联直线导轨1及前置机架固联直线导轨2延长线的两侧。因为后置机架回转中心A及前置机架回转中心D在导轨两侧的位置可以有多种变化，由此也会带来仿肌肉驱动的机器人关节驱动性能的改变。因此恰当的偏置可以增大仿肌肉驱动的机器人关节的工作空间，减小结构尺寸，改善整体性能。若两滑块间相配合的做相背运动，定滑轮10逆时针转动，动作原理同图2。若两滑块间相配合的做相向运动，定滑轮10顺时针转动，动作原理同图3。

Claims (3)

1.一种仿肌肉驱动的机器人关节，包括后置曲柄滑块机构、前置曲柄滑块机构和定滑轮，所述的后置曲柄滑块机构设置有后置机架固联直线导轨，在所述的后置机架固联直线导轨上安装有后置滑块，所述的后置滑块与后置连杆的一端相连；在后置机架回转中心处安装有后置定轴转动曲柄的一端，所述的后置连杆的另一端与后置定轴转动曲柄的另一端相连接；所述的前置曲柄滑块机构设置有前置机架固联直线导轨，在所述的前置机架固联直线导轨上安装有前置滑块，所述的前置滑块与前置连杆的一端相连；在前置机架回转中心处安装有前置定轴转动曲柄的一端，所述的前置连杆的另一端与前置定轴转动曲柄的另一端相连接；在定滑轮回转中心处安装有定滑轮，其特征在于：所述的定滑轮上安装有柔索，所述的柔索的一端同后置定轴转动曲柄与后置连杆连接处相连接，另一端同前置定轴转动曲柄与前置连杆连接处相连接；所述的定滑轮逆时针旋转方向上的柔索一端设置有逆切向端线性弹簧和逆切向端定轴转动压轮，在定滑轮顺时针旋转方向上的柔索一端设置有顺切向端线性弹簧和顺切向端定轴转动压轮。

2.根据权利要求1所述的一种仿肌肉驱动的机器人关节，其特征在于所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用水平对置曲柄滑块机构，后置机架回转中心位于后置机架固联直线导轨的延长线上，前置机架回转中心位于前置机架固联直线导轨的延长线上。

3.根据权利要求1所述的一种仿肌肉驱动的机器人关节，其特征在于所述的后置曲柄滑块机构和前置曲柄滑块机构采用偏置曲柄滑块机构，后置机架回转中心及前置机架回转中心分别分布在后置机架固联直线导轨及前置机架固联直线导轨延长线的两侧。