CN103895030B - 一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构，可用于四足仿生机器人的腿关节，属于仿生机器人技术领域。本发明包括两个气动人工肌肉组件、两个转动件、一个大腿骨架和一个小腿骨架,气动人工肌肉组件的两端分别与转动件和销轴相连接。本发明所述关节机构具有运动范围大、运动速度快、柔顺性好等仿生特点。

Description

一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构

技术领域

本发明涉及一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构，可用于四足仿生机器人腿关节，属于仿生机器人技术领域，具有关节运动范围大、运动速度快、柔顺性好等优点。

背景技术

随着仿生机器人研究的深入，研究热点从机器人步行研究拓展到高速运动（如跳跃、奔跑）研究。机器人高速运动能大大提高机器人的机动性，使得机器人越过障碍。这对机器人机构设计提出了更高要求。

分析仿生机器人运动驱动方式，目前大多采用电机驱动，电机驱动方式具有控制相对简单、能够实现精确的位置和速度控制等优点，但由于电机是刚性部件，不能很好地模拟生物肌肉的柔性，存在着仿生效果差、机器人整体重量高等问题。气动人工肌肉作为一种新型的驱动器，具有输出力/自重比大、动态特性高、柔性好等优点，且出力方式与生物肌肉类似，适合作为仿生机器人的驱动器，能减轻机器人重量，提高机器人的运动速度，具有柔顺性，从而提高机器人对环境的适应性等。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构，具有关节运动范围大、运动速度快、柔顺性好等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构包括两个气动人工肌肉组件、两个转动件、一个大腿骨架和一个小腿骨架，其特征在于：两个气动人工肌肉组件平行排列于所述大腿骨架的两侧，所述两个气动人工肌肉组件的上端分别与两个转动件移动连接，而下端分别与小腿骨架转动连接；所述的大腿骨架包括“工”字形件、矩形长条和叉形件，所述矩形长条分别与“工”字形件和叉形件通过螺钉固定连接；所述的小腿骨架包括小腿上骨架和小腿下骨架，所述小腿上骨架和小腿下骨架通过螺钉固定连接；所述大腿骨架的叉形件通过两个塑料自润滑轴承乙与小腿骨架的小腿上骨架形成转动副。

所述的气动人工肌肉组件包括气动人工肌肉、移动副连接件、气管接头、圆螺母、转动副连接件和大垫圈，所述气动人工肌肉的两端分别与移动副连接件和气管接头通过螺纹固定连接；所述转动副连接件与气管接头通过螺纹固定连接；所述转动副连接件通过销轴与小腿上骨架形成转动副；利用螺母和弹簧垫圈将大垫圈固定在移动副连接件上；通过圆螺母可微调气动人工肌肉组件的轴向装配长度。

所述的转动件包括轴承连接件和直线轴承，所述轴承连接件和直线轴承通过四个螺钉连接在一起；所述两个转动件的两个轴承连接件分别通过两个塑料自润滑轴承甲与大腿骨架的 “工”字形件构成转动副；所述直线轴承与移动副连接件形成移动副。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

一、本发明充分考虑生物关节肌肉的布置形式，采用一对气动人工肌肉来驱动关节旋转，具有关节可双向旋转、仿生特点突出的优点。

二、本发明通过预充气使两端的气动人工肌肉先收缩一定的长度，再通过控制两端气动人工肌肉的气压使关节旋转，充分利用气动人工肌肉的收缩长度，能解决气动人工肌肉因拉伸性能差而导致的关节运动范围小、关节驱动力矩小等问题。

三、本发明在多处构成转动副的结构中采用塑料自润滑轴承，能减小运动摩擦力，提高关节的灵活性，减轻关节结构重量。

附图说明

图1是本发明一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构的示意图；

图2是本发明一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构的简画示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例一：

如图1~图2所示，本双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构，包括两个气动人工肌肉组件（Ⅰ）、两个转动件（Ⅱ）、一个大腿骨架（Ⅲ）和一个小腿骨架（Ⅳ），所述两个气动人工肌肉组件（Ⅰ）平行排列于所述大腿骨架（Ⅲ）的两侧，所述两个气动人工肌肉组件（Ⅰ）的上端分别与两个转动件（Ⅱ）移动连接，而下端分别与小腿骨架（Ⅳ）转动连接；所述的大腿骨架（Ⅲ）包括“工”字形件（12）、矩形长条（13）和叉形件（14），所述矩形长条（13）分别与“工”字形件（12）和叉形件（14）通过螺钉固定连接；所述的小腿骨架（Ⅳ）包括小腿上骨架（15）和小腿下骨架（16），所述小腿上骨架（15）和小腿下骨架（16）通过螺钉固定连接；所述大腿骨架（Ⅲ）的叉形件（14）通过两个塑料自润滑轴承乙（11）与小腿骨架（Ⅳ）的小腿上骨架（15）形成转动副。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的气动人工肌肉组件（Ⅰ）包括气动人工肌肉（1）、移动副连接件（4）、气管接头（6）、圆螺母（7）、转动副连接件（8）和大垫圈（5），所述气动人工肌肉（1）的两端分别与移动副连接件（4）和气管接头（6）通过螺纹固定连接；所述转动副连接件（8）与气管接头（6）通过螺纹固定连接；所述转动副连接件（8）通过销轴（9）与小腿上骨架（15）形成转动副；利用螺母和弹簧垫圈将大垫圈（5）固定在移动副连接件（4）上；通过圆螺母（7）可微调气动人工肌肉组件（Ⅰ）的轴向装配长度。

所述的转动件（Ⅱ）包括轴承连接件（2）和直线轴承（3），所述轴承连接件（2）和直线轴承（3）通过四个螺钉连接在一起；所述两个转动件（Ⅱ）的两个轴承连接件（2）分别通过两个塑料自润滑轴承甲（10）与大腿骨架（Ⅲ）的 “工”字形件（12）构成转动副；所述直线轴承（3）与移动副连接件（4）形成移动副。

本发明的双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构的工作原理结合附图说明如下：首先，同时给大腿骨架（Ⅲ）两侧的气动人工肌肉（1）预充气，两侧的气动人工肌肉（1）收缩分别带动两个移动副连接件（4）在直线轴承（3）中移动，当两侧的大垫圈（5）接触直线轴承（3）时，停止给两个气动人工肌肉（1）充气。其次，继续给一侧的气动人工肌肉（1）充气，而给另一侧的气动人工肌肉（1）放气，以此来实现关节的转动。通过改变两侧气动人工肌肉（1）的充气和放气，可以改变关节的旋转方向。

Claims (1)

1.一种双气动人工肌肉驱动的单自由度关节机构，包括两个气动人工肌肉组件（Ⅰ）、两个转动件（Ⅱ）、一个大腿骨架（Ⅲ）和一个小腿骨架（Ⅳ），其特征在于：所述两个气动人工肌肉组件（Ⅰ）平行排列于所述大腿骨架（Ⅲ）的两侧，每个所述气动人工肌肉组件（Ⅰ）的上端分别与一个转动件（Ⅱ）移动连接，而下端分别与小腿骨架（Ⅳ）转动连接；所述的大腿骨架（Ⅲ）包括“工”字形件（12）、矩形长条（13）和叉形件（14），所述矩形长条（13）分别与“工”字形件（12）和叉形件（14）通过螺钉固定连接；所述的小腿骨架（Ⅳ）包括小腿上骨架（15）和小腿下骨架（16），所述小腿上骨架（15）和小腿下骨架（16）通过螺钉固定连接；所述大腿骨架（Ⅲ）的叉形件（14）通过两个塑料自润滑轴承乙（11）与小腿骨架（Ⅳ）的小腿上骨架（15）形成转动副；所述的转动件（Ⅱ）包括轴承连接件（2）和直线轴承（3），所述轴承连接件（2）和直线轴承（3）通过四个螺钉连接在一起；每个所述转动件（Ⅱ）的轴承连接件（2）分别通过一个塑料自润滑轴承甲（10）与大腿骨架（Ⅲ）的 “工”字形件（12）构成转动副；所述直线轴承（3）与移动副连接件（4）形成移动副；

所述的气动人工肌肉组件（Ⅰ）包括气动人工肌肉（1）、移动副连接件（4）、气管接头（6）、圆螺母（7）、转动副连接件（8）和大垫圈（5），所述气动人工肌肉（1）的两端分别与移动副连接件（4）和气管接头（6）通过螺纹固定连接；所述转动副连接件（8）与气管接头（6）通过螺纹固定连接；所述转动副连接件（8）通过销轴（9）与小腿上骨架（15）形成转动副；利用螺母和弹簧垫圈将大垫圈（5）固定在移动副连接件（4）上；通过圆螺母（7）可微调气动人工肌肉组件（Ⅰ）的轴向装配长度。