CN103991489B

CN103991489B - 一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构

Info

Publication number: CN103991489B
Application number: CN201410196932.8A
Authority: CN
Inventors: 雷静桃; 吴建东; 俞煌颖
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: CN103991489A

Abstract

本发明涉及一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，可以用于仿生机器人，属于仿生机器人技术领域。本发明包括髋关节侧摆机构、髋关节前后摆机构和膝关节前后摆机构。所述髋关节侧摆机构左端与机体铰连而右端有一根侧摆连接杆与髋关节前后摆机构上端部的一根前后摆T形轴固定连接；髋关节前后摆机构下端部与膝关节前后摆机构的中部固定相连，而前后摆T形轴通过一个销钉与膝关节前后摆机构的上端转动连接；所述髋关节侧摆机构、髋关节前后摆机构和膝关节前后摆机构内均含有气动人工肌肉组件而驱动它们旋转运动。本发明由于采用了气动人工肌肉驱动3个关节，可实现腿机构三自由度高速运动，具有重量轻、结构紧凑、运动灵活等特点。

Description

一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构

技术领域

本发明涉及一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，可用于四足仿生机器人，属于仿生机器人技术领域。本发明所述机构由于采用气动人工肌肉驱动，能减轻机器人腿机构的重量，可以实现高速运动，具有重量轻、结构紧凑、运动灵活、柔性仿生等特点。

背景技术

随着机器人技术和仿生技术的发展，四足机器人的研究重点逐步从静态步行拓展到动态步行、跳跃、奔跑等运动。国内外研究人员研发了各种各样的四足机器人，已取得丰富的研究成果，部分机器人已经可以实现在非结构化环境下的动态行走、奔跑等。但与生物相比，机器人的运动性能还有很大的提高空间，如何提高机器人的机动性和灵活性是研究人员目前急需攻克的难题。

四足机器人腿机构设计的优劣对四足机器人的运动性能有着重要的影响。从四足机器人腿机构的驱动方式上看，常见的驱动方式有电机、液压缸、气缸等，存在着机器人自身比较重、仿生效果差等不足，制约四足机器人运动性能和应用。随着气动技术的发展，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、重量轻、柔性好等优点，为研究人员带来新的设计思路。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，具有重量轻、结构紧凑、运动灵活等特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，包括髋关节侧摆机构、髋关节前后摆机构和膝关节前后摆机构。其特征在于：所述髋关节侧摆机构左端与机体铰连而右端有一根侧摆连接杆与髋关节前后摆机构上端部的一根前后摆T形轴固定连接；髋关节前后摆机构下端部与膝关节前后摆机构的中部固定相连，而前后摆T形轴通过一个销钉与膝关节前后摆机构的上端转动连接；所述髋关节侧摆机构、髋关节前后摆机构和膝关节前后摆机构内均含有气动人工肌肉组件而驱动它们旋转运动。

所述的髋关节侧摆机构包括一个气动人工肌肉组件A、四个销钉、一个侧摆连接杆、左右两个弹簧连接件和一个弹簧甲，所述气动人工肌肉组件A的左端通过销钉与机体转动连接，右端通过销钉与侧摆连接杆转动连接；弹簧甲的左右两端分别与左右两个弹簧连接件固定连接；左弹簧连接件通过销钉与机体转动连接；右弹簧连接件通过销钉与侧摆连接杆转动连接。气动人工肌肉组件A包括左右两个肌肉连接件、一个气动人工肌肉和一个气管接头，所述气动人工肌肉的左右两端分别与左右肌肉连接件、气管接头通过螺纹固定连接。

所述的髋关节前后摆机构包括一个气动人工肌肉组件B、左右两个轴承座、五个销钉、上下两个弹簧连接件、一个弹簧乙、两个耳形片、两个螺钉、左右两个自润滑塑料轴承和一个前后摆T形轴，所述弹簧乙的上端和下端分别与上下两个弹簧连接件固定连接；上弹簧连接件通过销钉与前后摆T形轴的右端转动连接；下弹簧连接件通过销钉与两个耳形片的右端转动连接；气动人工肌肉组件B的下端通过销钉与两个耳形片的左端转动连接，上端通过销钉与前后摆T形轴的左端转动连接；前后摆T形轴的左右两端分别通过一个自润滑塑料轴承与轴承座转动连接；两个轴承座分别通过两个螺栓与机体固定连接。

所述的膝关节前后摆机构包括一个大腿骨架、两个气动人工肌肉组件D、E和一个小腿，所述的两个气动人工肌肉组件D、E平行排列于大腿骨架的两侧，两个气动人工肌肉组件D、E的上端分别通过两个自润滑塑料轴承与大腿骨架转动连接，下端分别通过一个销钉与小腿转动连接；大腿骨架的下端通过两个自润滑塑料轴承与小腿的上端转动连接。所述的气动人工肌肉组件D包括螺母、垫片、移动副连接件、直线轴承、转动件、气动人工肌肉、气管接头、圆螺母和转动副连接件，气功人工肌肉的上端与移动副连接件通过螺纹固定连接，下端与气管接头通过螺纹固定连接；移动副连接件与直线轴承移动连接；螺母与垫片固定在移动副连接件上；直线轴承通过螺钉与转动件固定连接；气管接头的下端与转动副连接件的上端通过螺纹固定连接。

所述的大腿骨架包括固定件、“工”字形件、矩形长条和叉形件，“工”字形件的上端与固定件通过螺钉固定连接，下端通过螺钉与矩形长条固定连接，叉形件的上端通过螺钉与矩形长条的下端固定连接；所述的小腿包括小腿上骨架、小腿下骨架和脚掌，小腿下骨架的上端与小腿上骨架的下端通过螺钉固定连接，小腿下骨架的下端与脚掌通过螺钉固定连接，所述的脚掌是具有弹性的元件，起到弹性蓄能、缓冲作用，有利于吸收地面对腿机构的冲击力，减轻地面冲击力对腿机构零件的损害，延长零件的使用寿命。

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、本发明采用气动人工肌肉驱动腿机构运动，减轻机器人腿机构重量，可实现腿机构高速运动。由于气动人工肌肉与生物肌肉的出力特性相似，具有柔顺性、仿生性良好等特点。

二、本发明所述机构参考四足生物腿部肌肉的布置形式，髋关节侧摆运动由1根肌肉驱动，髋关节前后摆由1根肌肉驱动，膝关节前后摆由2根肌肉驱动，具有结构简单紧凑、运动灵活等特点。

三、本发明所述机构的关节的3个运动间相互独立，避免四足机器人腿机构多肌肉对间的相互制约、干涉问题。

四、本发明所述机构的大腿骨架、小腿骨架等主要零件均采用铝合金材料制造，髋关节和膝关节转动处采用自润滑塑料轴承，能有效降低腿机构重量，增加关节运动的灵活性。

附图说明

图1是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的示意图；

图2是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的髋关节侧摆机构示意图；

图3是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的气动人工肌肉组件A和气动人工肌肉组件B示意图；

图4是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的髋关节前后摆机构示意图；

图5是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的膝关节前后摆机构示意图；

图6是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的膝关节前后摆机构示意图；

图7是本发明一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构的气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E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1：

如图1所示，本气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，包括髋关节侧摆机构()、髋关节前后摆机构()和膝关节前后摆机构()。其特征在于：所述髋关节侧摆机构()左端与机体铰连而右端有一根侧摆连接杆（3）与髋关节前后摆机构()上端部的一根前后摆T形轴（26）固定连接；髋关节前后摆机构（）下端部与膝关节前后摆机构（）的中部固定相连，而前后摆T形轴（26）通过一个销钉（27）与膝关节前后摆机构（）的上端转动连接；所述髋关节侧摆机构（）、髋关节前后摆机构()和膝关节前后摆机构()内均含有气动人工肌肉组件而驱动它们旋转运动。

实施例2：

参见图1~图7，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：

所述的髋关节侧摆机构（）包括气动人工肌肉组件A、销钉（1）、销钉（2）、侧摆连接杆（3）、销钉（4）、右弹簧连接件（5）、弹簧甲（6）、左弹簧连接件（7）和销钉（8），所述气动人工肌肉组件A的左端通过销钉（1）与机体转动连接，右端通过销钉（2）与侧摆连接杆（3）转动连接；弹簧甲（6）的左右两端分别与左弹簧连接件（7）、右弹簧连接件（5）固定连接；左弹簧连接件（7）通过销钉（8）与机体转动连接；右弹簧连接件（5）通过销钉（4）与连接杆（3）转动连接；气动人工肌肉组件A包括左肌肉连接件（9）、气动人工肌肉（10）、气管接头（11）和右肌肉连接件（12）；所述气动人工肌肉（10）的左右端分别与左肌肉连接件（9）和气管接头（11）通过螺纹固定连接，右肌肉连接件（12）与气管接头（11）的右端通过螺纹固定连接。

所述的髋关节前后摆机构()包括气动人工肌肉组件B、右轴承座（13）、销钉（14）、上弹簧连接件（15）、弹簧乙（16）、下弹簧连接件（17）、销钉（18）、两个耳形片（19）、螺钉（20、21）、销钉（22、23）、左轴承座（24）、左自润滑塑料轴承（25）、前后摆T形轴（26）、销钉（27）和右自润滑塑料轴承（28），所述弹簧乙（16）的上端和下端分别与上弹簧连接件（15）、下弹簧连接件（17）固定连接；上弹簧连接件（15）通过销钉（14）与前后摆T形轴（26）的右端转动连接；下弹簧连接件（17）通过销钉（18）与两个耳形片（19）的右端转动连接；气动人工肌肉组件B的下端通过销钉（22）与两个耳形片（19）的左端转动连接，上端通过销钉（23）与前后摆T形轴（26）的左端转动连接；气动人工肌肉组件B和气动人工肌肉组件A的结构完全相同；前后摆T形轴（26）的左端通过左自润滑塑料轴承（25）与左轴承座（24）转动连接，而右端通过右自润滑塑料轴承（28）与右轴承座（13）转动连接；右轴承座（13）与左轴承座（24）分别通过两个螺栓与机体固定连接。

所述的膝关节前后摆机构()包括大腿骨架（C）、气动人工肌肉组件D、气动人工肌肉组件E和小腿（F），所述气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E的结构完全相同，并且气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E平行排列于大腿骨架（C）的两侧；气动人工肌肉组件D和组件E的上端分别通过两个上自润滑塑料轴承（34）与大腿骨架（C）转动连接，下端分别通过一个销钉（39）与小腿（F）转动连接；大腿骨架（C）的下端通过两个下自润滑塑料轴承（40）与小腿（F）的上端转动连接。

所述的气动人工肌肉组件D包括螺母（29）、垫片（30）、移动副连接件（31）、直线轴承（32）、转动件（33）、气动人工肌肉（35）、气管接头（36）、圆螺母（37）和转动副连接件（38），所述气功人工肌肉（35）的上端与移动副连接件（31）通过螺纹固定连接，下端与气管接头（36）通过螺纹固定连接；移动副连接件（31）与直线轴承（32）移动连接；螺母（29）与垫片（30）固定在移动副连接件（31）上；直线轴承（32）通过螺钉与转动件（33）固定连接；气管接头（36）的下端与转动副连接件（38）的上端通过螺纹固定连接。

所述的大腿骨架（C）包括固定件（47）、“工”字形件（46）、矩形长条（45）和叉形件（44），所述“工”字形件（46）的上端与固定件（47）通过螺钉固定连接，下端通过螺钉与矩形长条（45）固定连接，叉形件（44）的上端通过螺钉与矩形长条（45）的下端固定连接；所述的小腿（F）包括小腿上骨架（41）、小腿下骨架（42）和脚掌（43），小腿下骨架（42）的上端与小腿上骨架（41）的下端通过螺钉固定连接，下端与脚掌（43）通过螺钉固定连接，所述的脚掌(43)是具有弹性的元件，起到弹性蓄能、缓冲作用，有利于吸收地面对腿机构的冲击力，减轻地面冲击力对腿机构零件的损害，延长零件的使用寿命。

本发明涉及一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其工作原理结合附图说明如下：

腿机构的关节3个运动间相互独立、互不干涉，具体运动如下：对于髋关节侧摆机构（），气动人工肌肉组件A充气收缩，带动前后摆T形轴（26）旋转，整个腿机构向外侧摆，同时弹簧甲（6）由于受拉伸长，储存弹性势能，当腿机构需要向内侧回摆时，通过控制气动人工肌肉组件A内的气体压力使其伸长，在弹簧甲（6）拉力作用下，带动前后摆T形轴（26）旋转，整个腿机构往内回摆。对于髋关节前后摆机构（），气动人工肌肉组件B充气收缩，带动大腿骨架（C）往前摆动，同时弹簧乙（16）由于受拉变长，储存弹性势能，当腿机构需要往后回摆时，通过控制气动人工肌肉组件B内部的压力使其伸长，在弹簧乙（16）拉力作用下，带动大腿骨架（C）往后回摆。对于膝关节前后摆机构（），通过预先对大腿骨架（C）两侧的气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E充气，使其收缩一段距离，再通过分别控制气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E的内部压力，实现膝关节摆动。

Claims

1.一种气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，包括髋关节侧摆机构()、髋关节前后摆机构()和膝关节前后摆机构()；其特征在于：所述髋关节侧摆机构()左端与机体铰连而右端有一根侧摆连接杆（3）与髋关节前后摆机构()上端部的一根前后摆T形轴（26）固定连接；髋关节前后摆机构（）下端部与膝关节前后摆机构（）的中部固定相连，而前后摆T形轴（26）通过一个销钉（27）与膝关节前后摆机构（）的上端转动连接；所述髋关节侧摆机构（）、髋关节前后摆机构()和膝关节前后摆机构()内均含有气动人工肌肉组件而驱动它们旋转运动。

2.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其特征在于所述的髋关节侧摆机构（）包括气动人工肌肉组件A、销钉（1）、销钉（2）、侧摆连接杆（3）、销钉（4）、右弹簧连接件（5）、弹簧甲（6）、左弹簧连接件（7）和销钉（8），所述气动人工肌肉组件A的左端通过销钉（1）与机体转动连接，右端通过销钉（2）与侧摆连接杆（3）转动连接；弹簧甲（6）的左右两端分别与左弹簧连接件（7）、右弹簧连接件（5）固定连接；左弹簧连接件（7）通过销钉（8）与机体转动连接；右弹簧连接件（5）通过销钉（4）与连接杆（3）转动连接；气动人工肌肉组件A包括左肌肉连接件（9）、气动人工肌肉（10）、气管接头（11）和右肌肉连接件（12）；所述气动人工肌肉（10）的左右端分别与左肌肉连接件（9）和气管接头（11）通过螺纹固定连接，右肌肉连接件（12）与气管接头（11）的右端通过螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其特征在于所述的髋关节前后摆机构()包括气动人工肌肉组件B、右轴承座（13）、销钉（14）、上弹簧连接件（15）、弹簧乙（16）、下弹簧连接件（17）、销钉（18）、两个耳形片（19）、螺钉（20、21）、销钉（22、23）、左轴承座（24）、左自润滑塑料轴承（25）、前后摆T形轴（26）、销钉（27）和右自润滑塑料轴承（28），所述弹簧乙（16）的上端和下端分别与上弹簧连接件（15）、下弹簧连接件（17）固定连接；上弹簧连接件（15）通过销钉（14）与前后摆T形轴（26）的右端转动连接；下弹簧连接件（17）通过销钉（18）与两个耳形片（19）的右端转动连接；气动人工肌肉组件B的下端通过销钉（22）与两个耳形片（19）的左端转动连接，上端通过销钉（23）与前后摆T形轴（26）的左端转动连接；气动人工肌肉组件B和气动人工肌肉组件A的结构完全相同；前后摆T形轴（26）的左端通过左自润滑塑料轴承（25）与左轴承座（24）转动连接，而右端通过右自润滑塑料轴承（28）与右轴承座（13）转动连接；右轴承座（13）与左轴承座（24）分别通过两个螺栓与机体固定连接。

4.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其特征在于所述的膝关节前后摆机构()包括大腿骨架（C）、气动人工肌肉组件D、气动人工肌肉组件E和小腿（F），所述气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E的结构完全相同，并且气动人工肌肉组件D和气动人工肌肉组件E平行排列于大腿骨架（C）的两侧；气动人工肌肉组件D和组件E的上端分别通过两个上自润滑塑料轴承（34）与大腿骨架（C）转动连接，下端分别通过一个销钉（39）与小腿（F）转动连接；大腿骨架（C）的下端通过两个下自润滑塑料轴承（40）与小腿（F）的上端转动连接。

5.根据权利要求4所述的气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其特征在于所述的气动人工肌肉组件D包括螺母（29）、垫片（30）、移动副连接件（31）、直线轴承（32）、转动件（33）、气动人工肌肉（35）、气管接头（36）、圆螺母（37）和转动副连接件（38），气功人工肌肉（35）的上端与移动副连接件（31）通过螺纹固定连接，下端与气管接头（36）通过螺纹固定连接；移动副连接件（31）与直线轴承（32）移动连接；螺母（29）与垫片（30）固定在移动副连接件（31）上；直线轴承（32）通过螺钉与转动件（33）固定连接；气管接头（36）的下端与转动副连接件（38）的上端通过螺纹固定连接。

6.根据权利要求4所述的气动人工肌肉驱动的3自由度腿机构，其特征在于所述的大腿骨架（C）包括固定件（47）、“工”字形件（46）、矩形长条（45）和叉形件（44），所述“工”字形件（46）的上端与固定件（47）通过螺钉固定连接，下端通过螺钉与矩形长条（45）固定连接，叉形件（44）的上端通过螺钉与矩形长条（45）的下端固定连接；所述的小腿（F）包括小腿上骨架（41）、小腿下骨架（42）和脚掌（43），小腿下骨架（42）的上端与小腿上骨架（41）的下端通过螺钉固定连接，下端与脚掌（43）通过螺钉固定连接，所述的脚掌(43)是具有弹性的元件，起到弹性蓄能、缓冲作用，有利于吸收地面对腿机构的冲击力，减轻地面冲击力对腿机构零件的损害，延长零件的使用寿命。