CN104760054A - 气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工肌肉驱动的集成度较高的三自由度转动关节，包括由X轴支架、Y轴支架和十字轴组成的虎克铰机构，以及在Y轴支架的顶部设有Z轴支架，在Z轴支架上设有转向机构，Z轴支架的顶部设有末端执行器，在转向机构、X轴支架和Y轴支架的一侧设有人工肌肉，人工肌肉一端通过螺螺母与支架相连，另一端连接传动绳，传动绳通过转向机构垂直嵌套在末端执行器以及十字轴的轴肩上。本发明实现三个自由度正交，简化了其运动学方程，提高控制速度，增强关节灵活性，扩大关节工作空间。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，具体涉及一种可作为机器人颈部、肩部或腕部关节的气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节。
背景技术
气动人工肌肉是一种新型的驱动器，它揉合了气压驱动和人工肌肉驱动各自的优点。气压驱动的优点是清洁无污染、安装简便，同时由于其可压缩性，使得末端执行器在抓取或者卡紧物体时有自然顺应性，能够防止受力过大而对被抓物体或末端执行器本身造成破坏。人工肌肉作为新型的驱动装置，它是一种体积小巧、柔软、重量轻、工作简单、容易控制的仿生学产品，具有非常高的功率/重量比和非常好的自然柔顺性，上述这些特点使得人工肌肉在机器人领域得到了越来越广泛的应用。
仿人机器人是机器人技术研究领域的热点，机器人的驱动关节多为一或二个自由度的转动关节。模拟人类的三自由度关节，如：肩、颈关节等，一般是由2自由度关节再串联一个自由度构成，或者采用并联机构实现三自由度的转动。这样构成的三自由关节有的体积大而工作空间相对较小，有的关节三个自由度的运动坐标系原点并不在同一点上，与真实的人类三自由度关节运动形态相比有明显区别，仿真程度不高。
目前，由人工肌肉驱动的仿人运动关节，一般为一或二个自由度，没有集成在一个模块的三自由度结构，而几个自由度的串联使用，会使整体关节体积很大，驱动器布置和杆件干涉也是关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工肌肉驱动的集成度较高的三自由度转动关节，利用了气压驱动和人工肌肉驱动各自的优点，通过虎克铰和转向轮的设计，实现三个自由度正交，即三个方向的转动轴互相垂直且运动坐标系原点重合，简化了其运动学方程，提高控制速度，增强关节灵活性，扩大关节工作空间。
本发明采用的技术方案为：一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，包括由X轴支架、Y轴支架和十字轴组成的虎克铰机构，十字轴上的四个轴肩分别穿过X轴支架和Y轴支架侧壁上的圆孔，在X轴支架和Y轴支架的侧壁两侧旁分别设有两个人工肌肉，人工肌肉的一端固定在支架上，另一端连接传动绳并嵌套在十字轴的轴肩上；在Y轴支架的顶部还设有Z轴支架，在Z轴支架上设有转向机构，Z轴支架的顶部设有末端执行器，在转向机构的一侧设有Z轴人工肌肉，Z轴人工肌肉一端通过螺螺母与Y轴支架相连，另一端连接Z轴传动绳，Z轴传动绳通过转向机构垂直嵌套在末端执行器上。
进一步，所述的人工肌肉的一端通过螺母连接在各个支架上，另一端与传动绳之间通过螺母连接。
进一步，所述的十字轴与X轴支架、Y轴支架之间通过滚珠轴承连接，所述的Z轴支架和末端执行器通过圆锥滚子轴承连接。
进一步，所述的转向机构包括转向轮支架和通过转向轮螺钉连接固定的转向轮。
本发明的有益效果是：模块化的末端执行器可以根据关节不同的应用环境换成不同的器件，支架上的气动人工肌肉的体积小巧、柔软、重量轻，工作简单易控制。
附图说明
图1为本发明的运动坐标系；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中Z轴支架的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，由本发明中关节的三个方向的转动轴两两相互垂直，并且通过一个坐标原点，实现了正交。以十字轴的中心为坐标原点O，在关节中建立一个运动坐标系O-XYZ，并且原点O与固定坐标系的原点重合，以底部支架的转动轴为轴线建立X轴，以上部支架的转动轴为轴线建立Y轴，末端执行器的转动轴为轴线建立Z轴，就可对该关节进行简单的运动学分析。
如图2所示，一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，主要由一个U型的X轴支架6和一个U型的Y轴支架9以及一个十字轴4组成，两个U型的支架相互交错，十字轴4上的四个轴肩分别穿过X轴支架6和Y轴支架9侧壁上的圆孔，在圆孔与十字轴4的轴肩之间通过滚珠轴承5连接，使该机构能够在X轴和Y轴方向上转动。在X轴支架6和Y轴支架9的侧壁两侧旁分别设有两组人工肌肉7，人工肌肉7的一端通过螺母3固定在支架上，另一端通过螺母3连接传动绳8并缠绕在十字轴4的轴肩上相应的槽内；在Y轴支架9的顶部还设有Z轴支架10，在Z轴支架10上设有末端执行器11和转向机构。
如图3所示，该转向机构包括在末端执行器11一侧的两转向轮1和转向轮支架12。转向轮支架12上的转向轮1通过转向轮螺钉2固定，末端执行器11与Z轴支架10之间通过圆锥滚子轴承13连接。在转向轮支架12的下方设有两个人工肌肉7，人工肌肉7上方连接的传动绳8通过转向轮支架12上的转向轮1嵌套在末端执行器11上，使末端执行器11能够在Z轴方向上转动。
在本发明中，气动人工肌肉由可膨胀的橡皮管外包强力的塑料网构成，其两端用连接件螺母固定，由压缩空气驱动作推拉动作，实现模仿人类肌肉的伸缩运动。当对气动人工肌肉充气时，橡皮管产生弹性变形，于是压迫外部强力的塑料编织网，编织网的刚度较大，于是就限制了气动人工肌肉只能直径变大，长度变短。反之，当对人工肌肉放气时，橡皮管弹性回缩，直径变小，长度变长。
本发明具有正交的三个自由度，连续工作空间大，并可以根据关节不同的应用环境将末端执行器换成不同的器件，应用范围广泛。关节的运动通过气动的人工肌肉进行驱动，人工肌肉体积小巧、柔软、重量轻、工作简单易控制。
Claims (4)
1.一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，其特征在于：包括由X轴支架、Y轴支架和十字轴组成的虎克铰机构，十字轴上的四个轴肩分别穿过X轴支架和Y轴支架侧壁上的圆孔，在X轴支架和Y轴支架的侧壁两侧旁分别设有两个人工肌肉，人工肌肉的一端固定在支架上，另一端连接传动绳并嵌套在十字轴的轴肩上；在Y轴支架的顶部还设有Z轴支架，在Z轴支架上设有转向机构，Z轴支架的顶部设有末端执行器，在转向机构的一侧设有Z轴人工肌肉，Z轴人工肌肉一端通过螺螺母与Y轴支架相连，另一端连接Z轴传动绳，Z轴传动绳通过转向机构垂直嵌套在末端执行器上。
2.根据权利要求1所述的一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，其特征在于：所述的人工肌肉的一端通过螺母连接在各个支架上，另一端与传动绳之间通过螺母连接。
3.根据权利要求1所述的一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，其特征在于：所述的十字轴与X轴支架、Y轴支架之间通过滚珠轴承连接，所述的Z轴支架和末端执行器通过圆锥滚子轴承连接。
4.根据权利要求1所述的一种气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节，其特征在于：所述的转向机构包括转向轮支架和通过转向轮螺钉连接固定的转向轮。
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