CN103522301A - 气动肌肉驱动的变转轴仿生关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机构设计领域，涉及一种气动肌肉驱动的变转轴仿生关节。它解决了现有技术设计不够合理等技术问题。包括筒身，筒身上侧固设有上法兰，筒身一侧穿设有第一柔性连杆组件，另一侧穿设有第二柔性连杆组件，筒身下侧穿设有第三柔性连杆组件，筒身内上侧设有弹性件，筒身内设有具有内凹侧边弧形的曲线边缘转盘，曲线边缘转盘上固连有摆动杆，摆动杆下端位于筒身外且固连安装板，安装板上固连有下法兰。优点在于：设计合理，结构简单，机构调解灵活，通用性强，柔性连接组件使得仿生关节柔顺性好，抖动小，滑轮组件使得关节摆角范围大，负载能力强，摆动杆在相关结构的约束下，摆动过程更加仿生，工作性能更好。

Description

气动肌肉驱动的变转轴仿生关节

技术领域

本发明属于仿生机构设计领域，尤其是涉及一种气动肌肉驱动的变转轴仿生关节。

背景技术

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。多数的仿生机构中转动关节采用定轴转动方式,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，另外，仿生机构不具备柔顺性，模拟动物和人类肢体的柔顺性运动特性很困难。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。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构[申请号：201220550435.X]，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。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。

上述方案在一定程度上解决了现有的仿生关节不具备柔顺性、机构参数难以调节的问题，但是该方案依然存在着：机构调节不够灵活，摆角范围有限，柔顺性差，负载低，摆动过程易抖动、失稳且转动轴位移只能在竖直方向变化的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种通用性强、机构调节灵活且转动轴位移可按照实际关节进行设置的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，包括卧式设置的筒身，在筒身上侧固设有上法兰，其特征在于，所述的筒身一侧穿设有第一柔性连杆组件，另一侧穿设有第二柔性连杆组件，所述的筒身下侧穿设有第三柔性连杆组件，所述的筒身内上侧设有弹性件，所述的筒身内设有具有内凹侧边弧形的曲线边缘转盘，且所述的第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件、第三柔性连杆组件和弹性件分别与曲线边缘转盘的边缘相顶靠，在曲线边缘转盘上固连有摆动杆，所述的摆动杆下端位于筒身外且固连安装板，在安装板上固连有下法兰，所述的第一柔性连杆组件的外端通过第一气动肌肉联动机构与安装板相连，所述的第二柔性连杆组件的外端通过第二气动肌肉联动机构与安装板相连，当第一气动肌肉联动机构和第二气动肌肉联动机构带动摆动杆进行摆动时所述的第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件、第三柔性连杆组件和弹性件约束曲线边缘转盘动作从而使下摆动杆与曲线边缘转盘的连接端端部形成与曲线边缘转盘的内凹侧边弧形相一致的弧形位移。

显然，通过第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件、第三柔性连杆组件和弹性件与曲线边缘转盘的配合约束，当摆动杆动作时，摆动杆的转动轴将受到约束，这使得仿生关节摆动杆转动轴的位移符合实际关节的骨骼型转动，通过第一柔性连杆组件和第二柔性连杆组件传导第一气动肌肉和第二气动肌肉的驱动力，有效减缓了受力冲击时的震动，使得摆动杆的摆动更加柔顺，提高仿生机构的工作性能和仿生性能。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的第一气动肌肉联动机构和第二气动肌肉联动机构结构对称；所述的第一气动肌肉联动机构包括第一气动肌肉、第一上连索和第一下连索，所述的第一气动肌肉的一端通过第一上连索与第一柔性连杆组件外端相连，另一端与第一下连索相连，所述的第一下连索经第一传动结构与安装板相连；所述的第二气动肌肉联动机构包括第二气动肌肉、第二上连索和第二下连索，所述的第二气动肌肉的一端通过第二上连索与第二柔性连杆组件外端相连，另一端与第二下连索相连，所述的第二下连索经第二传动结构与安装板相连。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的第一传动结构包括第一大滑轮和第一小滑轮，所述的第一大滑轮设置在第一长支杆且第一长支杆固定在筒身上，所述的第一小滑轮设置在第一短支杆且第一短支杆固定在筒身上，所述的第一下连索绕经第一大滑轮的第一下端滑槽和第一小滑轮的第一上端滑槽后与安装板上的下转动铰链相连；所述的第二传动结构包括第二大滑轮和第二小滑轮，所述的第二大滑轮设置在第二长支杆且第二长支杆固定在筒身上，所述的第二小滑轮设置在第二短支杆且第二短支杆固定在筒身上，所述的第二下连索绕经第二大滑轮的第二下端滑槽和第二小滑轮的第二上端滑槽后与安装板上的下转动铰链相连。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件和第三柔性连杆组件结构相同，且分别包括固定在筒身上的滑筒套，在滑筒套中穿设有导杆，所述的导杆的内端固定有叉头，外端设有上转动铰链，所述的叉头扣于曲线边缘转盘的边缘，在导杆和滑筒套之间设有弹簧，弹簧的一端作用在叉头上，另一端作用在滑筒套上，第一柔性连杆组件上的上转动铰链与第一上连索相连，第二柔性连杆组件上的上转动铰链与第二上连索相连。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的曲线边缘转盘的边缘呈光滑的圆角，且该边缘沿曲线边缘转盘的径向厚度逐渐减小形成一等腰弧形斜坡，所述的等腰弧形斜坡的形状与叉头的叉形相适应。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的滑筒套与筒身通过螺纹结构相连。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的曲线边缘转盘包括内凹侧边弧形和外凸侧边弧形，所述的第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件、第三柔性连杆组件和弹性件分别与曲线边缘转盘的外凸侧边弧形相顶靠，所述的内凹侧边弧形根据人或动物的关节旋转时转动轴轨迹对应设置。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的曲线边缘转盘的两端中心分别固定有连接块，所述的连接块延伸至筒身外，在每个连接块上分别固定有一根上述的摆动杆。

在上述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节中，所述的弹性件为弧形弹簧片，且弧形弹簧片的凸面顶在曲线边缘转盘上。

气动肌肉驱动摆动杆摆动，摆动杆带动曲线边缘转盘发生转动，曲线边缘转盘在弹性体和叉头的约束下，迫使摆动杆的转动轴形成与曲线边缘转盘内凹侧边弧形相一致的弧形位移。圆角和斜坡结构使得曲线边缘转盘紧贴叉头的叉槽，减少摆动过程的抖动，保证力传导的连续性，按照实际关节参数设计的弧面更符合仿生要求。滑套筒与筒身螺纹连接使得旋入深度可调，滑套筒结构使得仿生关节可根据运动要求进行调节，机构调解灵活，减少仿生机构设计的工作量。柔性连接组件减缓机构的冲击力，可有效减轻摆动杆摆动时的失稳和抖动，使得摆动过程更加柔顺。通过第一传动结构和第一传动结构(滑轮组件)增大第一下连索和第二下连索的拉力，增加摆动杆摆角和负载范围。

与现有的技术相比，本气动肌肉驱动的变转轴仿生关节的优点在于：设计合理，结构简单，机构调解灵活，通用性强，柔性连接组件使得仿生关节柔顺性好，抖动小，滑轮组件使得关节摆角范围大，负载能力强，摆动杆在相关结构的约束下，摆动过程更加仿生，工作性能更好。

附图说明

图1为本发明提供的仿生关节结构示意图；

图2为本发明提供的柔性连杆组件结构示意图；

图3为本发明提供的图1所示仿生关节的局部左视图；

图4为本发明提供的图1所示仿生关节的工作过程示意图。

图中，筒身1、上法兰2、第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5、弹性件6、曲线边缘转盘7、内凹侧边弧形71、腰弧形斜坡72、外凸侧边弧形73、摆动杆8、安装板9、下转动铰链90、下法兰10、第一气动肌肉联动机构11、第一气动肌肉111、第一上连索112、第一下连索113、第一传动结构114、第一大滑轮114a、第一小滑轮114b、第一长支杆114c、第一短支杆114d、第二气动肌肉联动机构13、第二气动肌肉131、第二上连索132、第二下连索133、第二传动结构134、第二大滑轮134a、第二小滑轮134b、第二长支杆134c、第二短支杆134d、滑筒套14、导杆15、叉头16、上转动铰链17、弹簧18、连接块19。

具体实施方式

如图1-4所示，本气动肌肉驱动的变转轴仿生关节包括卧式设置的筒身1，在筒身1上侧固设有上法兰2。筒身1一侧穿设有第一柔性连杆组件3，另一侧穿设有第二柔性连杆组件4，筒身1下侧穿设有第三柔性连杆组件5，筒身1内上侧设有弹性件6，筒身1内设有具有内凹侧边弧形71的曲线边缘转盘7，且所述的第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5和弹性件6分别与曲线边缘转盘7的边缘相顶靠。在曲线边缘转盘7上固连有摆动杆8，摆动杆8下端位于筒身1外且固连安装板9，在安装板9上固连有下法兰10，第一柔性连杆组件3的外端通过第一气动肌肉联动机构11与安装板9相连，第二柔性连杆组件4的外端通过第二气动肌肉联动机构13与安装板9相连。当第一气动肌肉联动机构11和第二气动肌肉联动机构13带动摆动杆8进行摆动时所述的第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5和弹性件6约束曲线边缘转盘7动作从而使下摆动杆8与曲线边缘转盘7的连接端端部形成与曲线边缘转盘7的内凹侧边弧形71相一致的弧形位移。本实施例中，弹性件6为弧形弹簧片，且弧形弹簧片的凸面顶在曲线边缘转盘7上，更具体地说弹性件6的凸面顶在曲线边缘转盘7的外凸侧边弧形73。

第一气动肌肉联动机构11和第二气动肌肉联动机构13结构对称。第一气动肌肉联动机构11包括第一气动肌肉111、第一上连索112和第一下连索113，所述的第一气动肌肉111的一端通过第一上连索112与第一柔性连杆组件3外端相连，另一端与第一下连索113相连，所述的第一下连索113经第一传动结构114与安装板9相连。第二气动肌肉联动机构13包括第二气动肌肉131、第二上连索132和第二下连索133，所述的第二气动肌肉131的一端通过第二上连索132与第二柔性连杆组件4外端相连，另一端与第二下连索132相连，所述的第二下连索133经第二传动结构134与安装板9相连。

本实施例中，第一传动结构114包括第一大滑轮114a和第一小滑轮114b，所述的第一大滑轮114a设置在第一长支杆114c且第一长支杆114c固定在筒身1上，所述的第一小滑轮114b设置在第一短支杆114d且第一短支杆114d固定在筒身1上，所述的第一下连索113绕经第一大滑轮114a的第一下端滑槽和第一小滑轮114b的第一上端滑槽后与安装板9上的下转动铰链90相连。第二传动结构134包括第二大滑轮134a和第二小滑轮134b，所述的第二大滑轮134a设置在第二长支杆134c且第二长支杆134c固定在筒身1上，所述的第二小滑轮134b设置在第二短支杆134d且第二短支杆134d固定在筒身1上，所述的第二下连索133绕经第二大滑轮134a的第二下端滑槽和第二小滑轮134b的第二上端滑槽后与安装板9上的下转动铰链90相连。

第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4和第三柔性连杆组件5结构相同，且分别包括固定在筒身1上的滑筒套14，在滑筒套14中穿设有导杆15，所述的导杆15的内端固定有叉头16，外端设有上转动铰链17，所述的叉头16扣于曲线边缘转盘7的边缘，在导杆15和滑筒套14之间设有弹簧18，弹簧18的一端作用在叉头16上，另一端作用在滑筒套14上，第一柔性连杆组件3上的上转动铰链17与第一上连索112相连，第二柔性连杆组件4上的上转动铰链17与第二上连索132相连。滑筒套14与筒身1通过螺纹结构相连。

曲线边缘转盘7的边缘呈光滑的圆角，且该边缘沿曲线边缘转盘7的径向厚度逐渐减小形成一等腰弧形斜坡72，等腰弧形斜坡72的形状与叉头16的叉形相适应。曲线边缘转盘7包括内凹侧边弧形71和外凸侧边弧形73，第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5和弹性件6分别与曲线边缘转盘7的外凸侧边弧形73相顶靠，内凹侧边弧形71根据人或动物的关节旋转时转动轴轨迹对应设置。曲线边缘转盘7的两端中心分别固定有连接块19，所述的连接块19延伸至筒身1外，在每个连接块19上分别固定有一根上述的摆动杆8。

显然，通过第一柔性连杆组件、第二柔性连杆组件、第三柔性连杆组件和弹性件与曲线边缘转盘的配合约束，当摆动杆动作时，摆动杆的转动轴将受到约束，这使得仿生关节摆动杆转动轴的位移符合实际关节的骨骼型转动，通过第一柔性连杆组件和第二柔性连杆组件传导第一气动肌肉和第二气动肌肉的驱动力，有效减缓了受力冲击时的震动，使得摆动杆的摆动更加柔顺，提高仿生机构的工作性能和仿生性能。气动肌肉驱动摆动杆摆动，摆动杆带动曲线边缘转盘发生转动，曲线边缘转盘在弹性体和叉头的约束下，迫使摆动杆的转动轴形成与曲线边缘转盘内凹侧边弧形相一致的弧形位移。圆角和斜坡结构使得曲线边缘转盘紧贴叉头的叉槽，减少摆动过程的抖动，保证力传导的连续性，按照实际关节参数设计的弧面更符合仿生要求。滑套筒与筒身螺纹连接使得旋入深度可调，滑套筒结构使得仿生关节可根据运动要求进行调节，机构调解灵活，减少仿生机构设计的工作量。柔性连接组件减缓机构的冲击力，可有效减轻摆动杆摆动时的失稳和抖动，使得摆动过程更加柔顺。通过第一传动结构和第一传动结构(滑轮组件)增大第一下连索和第二下连索的拉力，增加摆动杆摆角和负载范围。

仿生关节摆动过程简述如下：

如图4所示，调节两侧第一气动肌肉111和第二气动肌肉131的气压，左侧第一气动肌肉111收缩，第二气动肌肉131伸长，第一下连索113和第二下连索133拉着安装板9发生转动，安装板9带动摆动杆8摆动，摆动杆8带动曲线边缘转盘7偏转，在弹性件6、第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5的配合作用下，曲线边缘转盘7沿着其内凹侧边弧形71转动，使摆动杆8的转动轴位移与内凹侧边弧形71对应。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了筒身1、上法兰2、第一柔性连杆组件3、第二柔性连杆组件4、第三柔性连杆组件5、弹性件6、曲线边缘转盘7、内凹侧边弧形71、腰弧形斜坡72、外凸侧边弧形73、摆动杆8、安装板9、下转动铰链90、下法兰10、第一气动肌肉联动机构11、第一气动肌肉111、第一上连索112、第一下连索113、第一传动结构114、第一大滑轮114a、第一小滑轮114b、第一长支杆114c、第一短支杆114d、第二气动肌肉联动机构13、第二气动肌肉131、第二上连索132、第二下连索133、第二传动结构134、第二大滑轮134a、第二小滑轮134b、第二长支杆134c、第二短支杆134d、滑筒套14、导杆15、叉头16、上转动铰链17、弹簧18、连接块19等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，包括卧式设置的筒身（1），在筒身（1）上侧固设有上法兰（2），其特征在于，所述的筒身（1）一侧穿设有第一柔性连杆组件（3），另一侧穿设有第二柔性连杆组件（4），所述的筒身（1）下侧穿设有第三柔性连杆组件（5），所述的筒身（1）内上侧设有弹性件（6），所述的筒身（1）内设有具有内凹侧边弧形（71）的曲线边缘转盘（7），且所述的第一柔性连杆组件（3）、第二柔性连杆组件（4）、第三柔性连杆组件（5）和弹性件（6）分别与曲线边缘转盘（7）的边缘相顶靠，在曲线边缘转盘（7）上固连有摆动杆（8），所述的摆动杆（8）下端位于筒身（1）外且固连安装板（9），在安装板（9）上固连有下法兰（10），所述的第一柔性连杆组件（3）的外端通过第一气动肌肉联动机构（11）与安装板（9）相连，所述的第二柔性连杆组件（4）的外端通过第二气动肌肉联动机构（13）与安装板（9）相连，当第一气动肌肉联动机构（11）和第二气动肌肉联动机构（13）带动摆动杆（8）进行摆动时所述的第一柔性连杆组件（3）、第二柔性连杆组件（4）、第三柔性连杆组件（5）和弹性件（6）约束曲线边缘转盘（7）动作从而使下摆动杆（8）与曲线边缘转盘（7）的连接端端部形成与曲线边缘转盘（7）的内凹侧边弧形（71）相一致的弧形位移。

2.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的第一气动肌肉联动机构（11）和第二气动肌肉联动机构（13）结构对称；所述的第一气动肌肉联动机构（11）包括第一气动肌肉（111）、第一上连索（112）和第一下连索（113），所述的第一气动肌肉（111）的一端通过第一上连索（112）与第一柔性连杆组件（3）外端相连，另一端与第一下连索（113）相连，所述的第一下连索（113）经第一传动结构（114）与安装板（9）相连；所述的第二气动肌肉联动机构（13）包括第二气动肌肉（131）、第二上连索（132）和第二下连索（133），所述的第二气动肌肉（131）的一端通过第二上连索（132）与第二柔性连杆组件（4）外端相连，另一端与第二下连索（132）相连，所述的第二下连索（133）经第二传动结构（134）与安装板（9）相连。

3.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的第一传动结构（114）包括第一大滑轮（114a）和第一小滑轮（114b），所述的第一大滑轮（114a）设置在第一长支杆（114c）且第一长支杆（114c）固定在筒身（1）上，所述的第一小滑轮（114b）设置在第一短支杆（114d）且第一短支杆（114d）固定在筒身（1）上，所述的第一下连索（113）绕经第一大滑轮（114a）的第一下端滑槽和第一小滑轮（114b）的第一上端滑槽后与安装板（9）上的下转动铰链（90）相连；所述的第二传动结构（134）包括第二大滑轮（134a）和第二小滑轮（134b），所述的第二大滑轮（134a）设置在第二长支杆（134c）且第二长支杆（134c）固定在筒身（1）上，所述的第二小滑轮（134b）设置在第二短支杆（134d）且第二短支杆（134d）固定在筒身（1）上，所述的第二下连索（133）绕经第二大滑轮（134a）的第二下端滑槽和第二小滑轮（134b）的第二上端滑槽后与安装板（9）上的下转动铰链（90）相连。

4.根据权利要求2或3所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的第一柔性连杆组件（3）、第二柔性连杆组件（4）和第三柔性连杆组件（5）结构相同，且分别包括固定在筒身（1）上的滑筒套（14），在滑筒套（14）中穿设有导杆（15），所述的导杆（15）的内端固定有叉头（16），外端设有上转动铰链（17），所述的叉头（16）扣于曲线边缘转盘（7）的边缘，在导杆（15）和滑筒套（14）之间设有弹簧（18），弹簧（18）的一端作用在叉头（16）上，另一端作用在滑筒套（14）上，第一柔性连杆组件（3）上的上转动铰链（17）与第一上连索（112）相连，第二柔性连杆组件（4）上的上转动铰链（17）与第二上连索（132）相连。

5.根据权利要求4所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的曲线边缘转盘（7）的边缘呈光滑的圆角，且该边缘沿曲线边缘转盘（7）的径向厚度逐渐减小形成一等腰弧形斜坡（72），所述的等腰弧形斜坡（72）的形状与叉头（16）的叉形相适应。

6.根据权利要求4所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的滑筒套（14）与筒身（1）通过螺纹结构相连。

7.根据权利要求1或2或3所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的曲线边缘转盘（7）包括内凹侧边弧形（71）和外凸侧边弧形（73），所述的第一柔性连杆组件（3）、第二柔性连杆组件（4）、第三柔性连杆组件（5）和弹性件（6）分别与曲线边缘转盘（7）的外凸侧边弧形（73）相顶靠，所述的内凹侧边弧形（71）根据人或动物的关节旋转时转动轴轨迹对应设置。

8.根据权利要求1或2或3所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的曲线边缘转盘（7）的两端中心分别固定有连接块（19），所述的连接块（19）延伸至筒身（1）外，在每个连接块（19）上分别固定有一根上述的摆动杆（8）。

9.根据权利要求1或2或3所述的气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，其特征在于，所述的弹性件（6）为弧形弹簧片，且弧形弹簧片的凸面顶在曲线边缘转盘（7）上。

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