CN103816027A

CN103816027A - 一种基于气动肌肉仿人下肢

Info

Publication number: CN103816027A
Application number: CN201410040899.XA
Authority: CN
Inventors: 姜飞龙; 陶国良; 刘昊; 赵勇; 李超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103816027B

Abstract

本发明公开了一种基于气动肌肉仿人下肢系统，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动髋关节、膝关节、踝关节、脚趾的运动，具有完全模拟人的下肢运动的功能。所述的仿人下肢主要由骨盆、股骨、腓骨、脚底板、脚趾、球铰、气动肌肉以及气动肌肉固定板组成。模拟臀大肌、内收肌、髂腰肌、闭孔内肌、梨状肌等作用的气动肌肉驱动髋关节绕垂直轴、矢状轴、冠状轴的旋转；股直肌、大腿后侧肌群、股薄肌、股二头肌驱动膝关节绕垂直轴、冠状轴的旋转；小腿三头肌、前群肌、外侧群肌驱动踝关节绕矢状轴、冠状轴的旋转；拇长屈肌、拇长伸肌、趾长屈肌、趾长伸肌驱动五个脚趾屈和伸。本发明以气动肌肉驱动，具有结构紧凑、清洁、防爆性能好的特点，可用于教学和演示。

Description

一种基于气动肌肉仿人下肢

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种模拟人的下肢结构和控制系统。

背景技术

人的下肢能够适应各种路况，其具有别的地面推进方式所具有的是优越性，因此作为机器人研究的一个重要方向。

虽然目前研究电机驱动仿人下肢机器人已经很成熟，但是考虑到气动肌肉具有很高的功率/质量比、其位置控制仅受压力单个因素影响，以及类似于人类肌肉的柔顺性等优点。特别是膝关节由一个电机驱动，完全不能够模拟人体下肢真实的运动机理，同时研究人的下肢的行走机理，可以更好的开发相应的产品以满足社会和市场的需要，如外骨骼仿人下肢可以很好的应用于帮助下肢瘫患者行走和相应的下肢疾病患者锻炼下肢。虽然目前已经研究了一些关于气动肌肉仿人机器人和气动肌肉外骨骼的装置和设备，但是大部分局限于一组对拉气动肌肉驱动或者两组四根气动肌肉对拉的形式，仅仅可以实现简单的动作，不能够实现系统空间多个方向姿态的控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于气动肌肉仿人下肢，本发明结构紧凑，干净、防爆等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于气动肌肉仿人下肢系统，它包括：股二头肌、梨状肌、大腿后侧肌群、臀大肌、骨盆、髂腰肌、闭孔内肌、内收肌、股骨、股薄肌、股直肌、驱动髋关节气动肌肉固定板、驱动膝关节气动肌肉固定板、趾长屈肌、拇长屈肌、小腿三头肌、腓骨、脚底板、趾长伸肌、外侧群肌、前群肌、拇长伸肌、大脚趾、小脚趾、驱动脚趾导向轴、气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓、M12螺帽、固定钢丝绳螺栓、空气组合元件、压力表、气动高速开关阀、拉线式编码器、数据采集卡、计算机、PWM波形发生器FPGA板卡、隔离与放大电路。其中，骨盆固定在台架上，股骨通过杆端关节轴承与骨盆相连，另一端通过螺纹连接的方式与髋关节气动肌肉固定板相连，臀大肌、内收肌（耻骨肌、长收肌、短收肌）、髂腰肌、闭孔内肌、梨状肌一端通过钢丝绳与骨盆相连，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板相连；臀大肌和内收肌（耻骨肌、长收肌、短收肌）分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板内、外驱动髋关节绕矢状轴的旋转，髂腰肌连接驱动髋关节气动肌肉固定板前驱动髋关节绕冠状轴旋转，闭孔内肌和梨状肌分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板前、后驱动髋关节绕垂直轴旋转。驱动膝关节气动肌肉固定板通过杆端关节轴承一端与股骨相连，另一端通过螺纹与腓骨相连，股直肌、大腿后侧肌群（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌、股二头肌一端通过钢丝绳与骨盆相连，另一端通过钢丝绳与驱动膝关节气动肌肉固定板相连；股直肌和大腿后侧肌群（主要包括半腱肌和半膜肌）分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板前后驱动膝关节绕冠状轴旋转，股薄肌和股二头肌分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板前后驱动膝关节绕垂直轴旋转。小腿三头肌、前群肌（胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌）、外侧群肌（腓骨长肌、腓骨短肌）一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板，另一端通过钢丝绳与脚底板相连，小腿三头肌、前群肌（胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌）、外侧群肌圆周上均匀分布在驱动膝关节气动肌肉固定板上，实现驱动踝关节绕矢状轴和冠状轴旋转。拇长屈肌、拇长伸肌、趾长屈肌、趾长伸肌一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板，另一端通过钢丝绳经驱动脚趾导向轴与大脚趾和小脚趾相连；拇长屈肌和拇长伸肌驱动大脚趾屈伸，趾长屈肌和趾长伸肌驱动小脚趾屈伸。

进一步地，所述气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓一端与股二头肌连接，实现钢丝绳与股二头肌的连接，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板连接，驱动髋关节气动肌肉固定板一端与M12螺帽相连，另一端与固定钢丝绳螺栓，实现了钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板的连接和驱动髋关节运动。

进一步地，所述空气组合元件的出气口连接8个气动高速开关阀的进气口，8个气动高速开关阀的出气口分别连接股直肌、大腿后侧肌群（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌、股二头肌的进气口，空气组合元件的出气口设置压力表，股直肌、大腿后侧肌群（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌、股二头肌的驱动线圈均与驱动与隔离与放大电路的输出接口相连，隔离与放大电路的输入接口与数据采集卡的DO接口相连，与大腿后侧肌群（主要包括半腱肌和半膜肌）、股二头肌同轴连接的2个拉线式编码器与控制器的A/D接口连接。数据采集卡与计算机相连。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根气动肌肉驱动关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等特点；

3.本发明髋关节、膝关节、踝关节、脚趾分别具有3、2、2、1个自由度，可以形象地模拟人下肢可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体下肢每根肌肉在下肢运动中的作用。

附图说明

图1是仿人下肢大腿结构图；

图2是仿人下肢小腿结构图；

图3是气动肌肉固定连接图；

图4是仿人下肢膝关节气动控制系统原理图；

图5是驱动和放大电路原理图；

图中：股二头肌1、梨状肌2、大腿后侧肌群3、臀大肌4、骨盆5、髂腰肌6、闭孔内肌7、内收肌8、股骨9、股薄肌10、股直肌11、驱动髋关节气动肌肉固定板12、驱动膝关节气动肌肉固定板13、趾长屈肌14、拇长屈肌15、小腿三头肌16、腓骨17、脚底板18、趾长伸肌19、外侧群肌20、前群肌21、拇长伸肌22、大脚趾23、小脚趾24、驱动脚趾导向轴25、气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓26、M12螺帽27、固定钢丝绳螺栓28、空气组合元件29、压力表30、气动高速开关阀31、拉线式编码器32、数据采集卡33、计算机34、PWM波形发生器FPGA板卡35、隔离与放大电路36。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明基于气动肌肉仿人下肢系统包括：股二头肌1、梨状肌2、大腿后侧肌群3、臀大肌4、骨盆5、髂腰肌6、闭孔内肌7、内收肌8、股骨9、股薄肌10、股直肌11、驱动髋关节气动肌肉固定板12、驱动膝关节气动肌肉固定板13、趾长屈肌14、拇长屈肌15、小腿三头肌16、腓骨17、脚底板18、趾长伸肌19、外侧群肌20、前群肌21、拇长伸肌22、大脚趾23、小脚趾24、驱动脚趾导向轴25、气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓26、M12螺帽27、固定钢丝绳螺栓28、空气组合元件29、压力表30、气动高速开关阀31、拉线式编码器32、数据采集卡33、计算机34、PWM波形发生器FPGA板卡35、隔离与放大电路36。其中，骨盆5固定在台架上，股骨9通过杆端关节轴承与骨盆相连，另一端通过螺纹连接的方式与髋关节气动肌肉固定板12相连，臀大肌4、内收肌8（耻骨肌、长收肌、短收肌）、髂腰肌6、闭孔内肌7、梨状肌2一端通过钢丝绳与骨盆5相连，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板12相连；臀大肌4和内收肌8（耻骨肌、长收肌、短收肌）分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板12内、外驱动髋关节绕矢状轴的旋转，髂腰肌6连接驱动髋关节气动肌肉固定板12前面驱动髋关节绕冠状轴旋转，闭孔内肌7和梨状肌2分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板12前、后驱动髋关节绕垂直轴旋转。驱动膝关节气动肌肉固定板13通过杆端关节轴承一端与股骨9相连，另一端通过螺纹与腓骨相连，股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1一端通过钢丝绳与骨盆5相连，另一端通过钢丝绳与驱动膝关节气动肌肉固定板13相连；股直肌11和大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板13前后驱动膝关节绕冠状轴旋转，股薄肌10和股二头肌1分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板13前后驱动膝关节绕垂直轴旋转。小腿三头肌16、前群肌21（胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌）、外侧群肌20（腓骨长肌、腓骨短肌）一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板13，另一端通过钢丝绳与脚底板18相连，小腿三头肌16、前群肌21（胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌）、外侧群肌20圆周上均匀分布在驱动膝关节气动肌肉固定板13上，实现驱动踝关节绕矢状轴和冠状轴旋转。拇长屈肌15、拇长伸肌22、趾长屈肌14、趾长伸肌19一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板13，另一端通过钢丝绳经驱动脚趾导向轴25与大脚趾23和小脚趾24相连；拇长屈肌15和拇长伸肌22驱动大脚趾屈伸，趾长屈肌14和趾长伸肌19驱动小脚趾屈伸。

以股二头肌1为例说明气动肌肉的固定和连接方式，如图3所示，气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓26一端与股二头肌1连接，实现钢丝绳与股二头肌1的连接，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板12连接，驱动髋关节气动肌肉固定板12一端与M12螺帽27相连，另一端与固定钢丝绳螺栓28，实现了钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板12的连接和驱动髋关节运动。

以膝关节气动控制为例说明基于气动肌肉仿人下肢控制系统工作原理，如图4所示，空气组合元件29的出气口连接8个气动高速开关阀31的进气口，8个气动高速开关阀31的出气口分别连接股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1的进气口，空气组合元件8的出气口设置压力表9，股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1的驱动线圈均与驱动与隔离与放大电路36的输出接口相连，隔离与放大电路36的输入接口与数据采集卡33的DO接口相连，与大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股二头肌1同轴连接的2个拉线式编码器32 与控制器33的A/D接口连接。数据采集卡33与计算机34相连。

如图5所示，驱动与放大电路13包括达林顿管U1、光藕管U2、四个MOS管M1-M4、四个二极管D1-D4和输出端子U3，达林顿管U1的信号输入管脚连接控制器11的输出接口，达林顿管U1的信号输出管脚连接光藕管U2的信号输入管脚，光藕管U2的四个电压输出管脚均连接+12V电源的正极，光藕管U2的四个信号输出接口分别连接四个MOS管M1-M4的栅极，四个MOS管M1-M4的漏极均连接+24V电源的负极，MOS管M1的源极同时连接二极管D1的正极和输出端子U3的端子针脚2，MOS管M2的源极同时连接二极管D2的正极和输出端子U3的端子针脚4，MOS管M3的源极同时连接二极管D3的正极和输出端子U3的端子针脚6，MOS管M4的源极同时连接二极管D4的正极和输出端子U3的端子针脚8，四个二极管D1-D4的负极均接+24V电源的正极，+24V电源的正极连接四个二极管D1-D4的输出对应连接U3的端子针脚1、3、5、7。

隔离与放大电路36的两端分别连接数据采集卡33和8个气动高速开关阀31，根据计算机34的控制信号实现对气动高速开关阀31的驱动。

本发明的工作过程如下：将空气组合元件8的进气口连接气源，通过观察压力表9调节空气组合元件8出气口的气体压力，打开计算机34和VC++编写的控制程序，输入需要控制的量，数据采集卡33输出的模拟量经过隔离与放大电路36驱动气动高速开关阀31以PWM占空比控制的形式给股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1充气，空气进入股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1，股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1开始收缩，驱动髋关节气动肌肉固定板12由股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1充气带动人的髋关节开始运动，与此同时拉线式编码器32测量到大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股二头肌1的收缩量，反馈给控制器11，解算髋关节所处的位姿，数据采集卡33控制气动高速开关阀31改变PWM的占空比，控制对股直肌11、大腿后侧肌群3（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌10、股二头肌1进行充气或者放气，以实现髋关节关节运动到预定的位姿。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的气动肌肉，实现仿人下肢位姿的控制，可以动态形象的模拟人下肢的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉仿人下肢无法比拟的优势。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于气动肌肉仿人下肢系统，其特征在于，它包括：股二头肌（1）、梨状肌（2）、大腿后侧肌群（3）、臀大肌（4）、骨盆（5）、髂腰肌（6）、闭孔内肌（7）、内收肌（8）、股骨（9）、股薄肌（10）、股直肌（11）、驱动髋关节气动肌肉固定板（12）、驱动膝关节气动肌肉固定板（13）、趾长屈肌（14）、拇长屈肌（15）、小腿三头肌（16）、腓骨（17）、脚底板（18）、趾长伸肌（19）、外侧群肌（20）、前群肌（21）、拇长伸肌（22）、大脚趾（23）、小脚趾（24）、驱动脚趾导向轴（25）、气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓（26）、M12螺帽（27）、固定钢丝绳螺栓（28）、空气组合元件（29）、压力表（30）、气动高速开关阀（31）、拉线式编码器（32）、数据采集卡（33）、计算机（34）、PWM波形发生器FPGA板卡（35）和隔离与放大电路（36）；其中，所述骨盆（5）固定在台架上，股骨（9）通过杆端关节轴承与骨盆相连，另一端通过螺纹连接的方式与髋关节气动肌肉固定板（12）相连，臀大肌（4）、内收肌（8）、髂腰肌（6）、闭孔内肌（7）、梨状肌（2）一端通过钢丝绳与骨盆（5）相连，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板（12）相连；臀大肌（4）和内收肌（8）分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板（12）内、外驱动髋关节绕矢状轴的旋转，髂腰肌（6）连接驱动髋关节气动肌肉固定板（12）前驱动髋关节绕冠状轴旋转，闭孔内肌（7）和梨状肌（2）分别连接驱动髋关节气动肌肉固定板（12）前、后驱动髋关节绕垂直轴旋转；驱动膝关节气动肌肉固定板（13）通过杆端关节轴承一端与股骨（9）相连，另一端通过螺纹与腓骨相连，股直肌（11）、大腿后侧肌群（3）（主要包括半腱肌和半膜肌）、股薄肌（10）、股二头肌（1）一端通过钢丝绳与骨盆（5）相连，另一端通过钢丝绳与驱动膝关节气动肌肉固定板（13）相连；股直肌（11）和大腿后侧肌群（3）分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板13前后驱动膝关节绕冠状轴旋转，股薄肌（10）和股二头肌（1）分别连接驱动膝关节气动肌肉固定板（13）前后驱动膝关节绕垂直轴旋转；小腿三头肌（16）、前群肌（21）、外侧群肌（20）一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板（13），另一端通过钢丝绳与脚底板（18）相连，小腿三头肌（16）、前群肌（21）、外侧群肌（20）圆周上均匀分布在驱动膝关节气动肌肉固定板（13）上，实现驱动踝关节绕矢状轴和冠状轴旋转；拇长屈肌（15）、拇长伸肌（22）、趾长屈肌（14）、趾长伸肌（19）一端通过螺帽连接于驱动膝关节气动肌肉固定板（13），另一端通过钢丝绳经驱动脚趾导向轴（25）与大脚趾（23）和小脚趾（24）相连；拇长屈肌（15）和拇长伸肌（22）驱动大脚趾屈伸，趾长屈肌（14）和趾长伸肌（19）驱动小脚趾屈伸。

2.根据权利要求1所述基于气动肌肉仿人下肢系统，其特征在于，所述气动肌肉末端固定钢丝绳螺栓（26）一端与股二头肌（1）连接，实现钢丝绳与股二头肌（1）的连接，另一端通过钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板（12）连接，驱动髋关节气动肌肉固定板（12）一端与M12螺帽（27）相连，另一端与固定钢丝绳螺栓（28），实现了钢丝绳与驱动髋关节气动肌肉固定板（12）的连接和驱动髋关节运动。

3.根据权利要求1所述基于气动肌肉仿人下肢系统，其特征在于，所述空气组合元件（29）的出气口连接8个气动高速开关阀（31）的进气口，8个气动高速开关阀（31）的出气口分别连接股直肌（11）、大腿后侧肌群（3）、股薄肌（10）、股二头肌（1）的进气口，空气组合元件8的出气口设置压力表（9），股直肌（11）、大腿后侧肌群（3）、股薄肌（10）、股二头肌（1）的驱动线圈均与驱动与隔离与放大电路（36）的输出接口相连，隔离与放大电路（36）的输入接口与数据采集卡（33）的DO接口相连，与大腿后侧肌群（3）（主要包括半腱肌和半膜肌）、股二头肌（1）同轴连接的2个拉线式编码器（32）与控制器（33）的A/D接口连接；数据采集卡（33）与计算机（34）相连。