CN104816312B - 一种多自由度仿生关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种多自由度仿生关节，包括运动部件、支撑部件和驱动部件，所述支撑部件上端是凹形关节面、侧端设置凸节，所述运动部件的下端是球形体，且所述球形体配合安装在所述凹形关节面中，所述驱动部件包括连接球形体与凹形关节面的六根柔性丝、连接凸节与运动部件的两组旋转肌肉单元和对称设置在支撑部件上部边缘与运动部件之间的四组拉伸肌肉单元，所述两组旋转肌肉单元对称设置在凸节的两侧，六根柔性丝中的一根设置在凸节的中间位置、另外五根沿周向均匀设置在凸节对面的一侧的对应位置。本发明无驱动噪声产生，仿生关节是由人工肌肉直接驱动而完成运动，缩短了能量传动链，驱动效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生关节，尤其涉及一种多自由度仿生关节。
背景技术
鉴于人类几千年对生物界的研究，应用仿生学解决实践生活中的问题，已经获得了学术界的普遍认可。
目前，有关多自由度关节的研究主要集中于采用机械式复杂的结构设计及冗长的传动链等传统方法，这种传动方法增加了装配的负载与结构设计的难度，延长的传动链，造成了驱动的能量损耗，复杂的装配结构，很难实现运动的灵活自如。由于大多数机器人关节都采用液压、气动或电机配减速机构驱动，具有较大的噪声污染等问题。因此，急迫需要一种简化结构、驱动高效、灵活轻巧的多自由度关节结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单和灵活轻巧、无驱动噪声产生、驱动效率高的多自由的仿生关节。
本发明的目的是这样实现的：包括运动部件、支撑部件和驱动部件，所述支撑部件上端是凹形关节面、侧端设置凸节，所述运动部件的下端是球形体，且所述球形体配合安装在所述凹形关节面中，所述驱动部件包括连接球形体与凹形关节面的六根柔性丝、连接凸节与运动部件的两组旋转肌肉单元和对称设置在支撑部件上部边缘与运动部件之间的四组拉伸肌肉单元，所述两组旋转肌肉单元对称设置在凸节的两侧，六根柔性丝中的一根设置在凸节的中间位置、另外五根沿周向均匀设置在凸节对面的一侧的对应位置。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述球形体外表面和凹形关节面的内表面分别涂有减阻涂层。
2.所述旋转肌肉单元和拉伸肌肉单元均是由至少两片电致动智能材料和电极块组成的线性拉力器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的多自由度仿生关节包括运动部件、支撑部件和驱动部件，同时运动部件的球形体配合安装于支撑部件的凹形关节面内，构成多自由度关节结构，并通过人工肌肉进行驱动，所以具有结构构成简单和灵活轻巧的优点。驱动部件是拉伸肌肉单元和旋转肌肉单元，无驱动噪声产生；且本发明的仿生关节是由人工肌肉直接驱动而完成运动，缩短了能量传动链，故驱动效率高；运动部件的球形体外表层和支撑部件的凹形关节面的内表层均涂有减阻涂层，使本发明具有耐磨减阻的效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图1；
图2是图1的A-A方向的示意图；
图3是本发明运动部件的结构示意图；
图4(a)是本发明支撑部件的第一结构示意图，图4(b)是本发明支撑部件的第二结构示意图；
图5是本发明驱动部件肌肉单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明包括运动部件1、支撑部件2和驱动部件3，所述支撑部件2上端是凹形关节面23、侧端设置凸节22，所述运动部件1的下端是球形体12，且所述球形体12配合安装在所述凹形关节面23中，所述驱动部件3包括连接球形体12与凹形关节面23的柔性丝33、连接凸节22与运动部件1的两组旋转肌肉单元35、36和对称设置在支撑部件2上部边缘与运动部件1之间的四组拉伸肌肉单元34，所述两组旋转肌肉单元35、36对称设置在凸节22的两侧，六根柔性丝中的一根设置在凸节22的中间位置、另外五根沿周向均匀设置在凸节22对面的一侧的对应位置，如图2所示：所述六根柔性丝33与两组旋转肌肉单元35、36的中心之间的周向距离相等，本发明的所述球形体外12表面和凹形关节面23的内表面分别涂有减阻涂层11和21。所述旋转肌肉单元35、36和拉伸肌肉单元34均是由至少两片电致动智能材料32和电极块31组成的线性拉力器。
如图1和图2所示：本发明主要由由运动部1、支撑部件2和驱动部件3组成。如图3至图5所示，运动部件1的球形体12配合安装于支撑部件2的凹形关节面23内，构成多自由度关节结构；运动部件1的上端与支撑部件2的上端边缘对称连接四组拉伸肌肉单元34，实现运动部件1的摆动运动；支撑部件2的凸节22与运动部件1两侧连接两组旋转肌肉单元35与36，实现运动部件1的旋转运动；运动部件1的球形体12与支撑部件2的凹形关节面23之间连接六根柔性丝33，防止运动部件1的运动脱节。运动部件1的球形体12外表层和支撑部件2的凹形关节面23的内表层涂有减阻涂层11与21。驱动部分3的拉伸肌肉单元34与旋转肌肉单元35是由两片或多片电致动智能材料32和电极块31构成的线性拉力器。
外界无电压信号时，运动部件1的球形体12在柔性丝33的支撑下处于竖直状态；在四组拉伸肌肉单元34的驱动配合下，实现运动部件1的不同方向摆动运动；在旋转肌肉单元35的拉动下，实现运动部件1的单方向转动，而在旋转肌肉单元36的拉动下，实现运动部件1的往复运动，构成整个仿生关节的多自由度运动。
结合图1、2及3，运动部件1由球形体12与减阻涂层11组成，球形体12的外表层涂覆有减阻涂层11，用于运动减阻；球形体12采用3D打印制造而成。而在外界驱动部件3提供的驱动力下，运动部件1能够灵活地进行多自由度的摆动。
结合图1、图2、图4(a)和图4(b)，支撑部件2由减阻涂层21、凸节22及凹形关节面23组成，凹形关节面23的内表层涂覆减阻涂层21，用于运动减阻，支撑部件侧端具有凸节22，凸节22可以与运动部件1构成配合，其作用是约束运动部件1的传动，提高单侧运动的效率，同时，也可作为运动部件1的传力杠杆及驱动部件3的旋转肌肉单元35与36及柔性丝33的肌肉连接点。支撑部件2既可用于固定于支撑运动部件1，同时，也可以作为下一级关节的连接部件。在驱动部件3提供驱动动力时，固定与支撑运动部件1在其凹形关节面23内部的摆动与旋转运动。
结合图1、图2和图5，驱动部件3由拉伸肌肉单元34、旋转肌肉单元35与36及柔性丝33组成，其中驱动部分3的拉伸肌肉单元34与旋转肌肉单元35是由两片或多片电致动智能材料32和电极块31构成的线性拉力器，电极块31两端采用弹性的线系于所需拉伸部件两端，平行与轴向的两个孔用于放置驱动电线。运动部件1的上端与支撑部件2的上端边缘对称连接四组拉伸肌肉单元34，实现运动部件1的摆动运动；支撑部件2的凸节22与运动部件1两侧连接两组旋转肌肉单元35与36，实现运动部件1的旋转运动；运动部件1的球形体12与支撑部件2的凹形关节面23之间连接柔性丝33，防止运动部件1的运动脱节。在四组拉伸肌肉单元34的驱动配合下，实现运动部件1的不同方向摆动运动；在旋转肌肉单元35的拉动下，实现运动部件1的单方向转动，而在旋转肌肉单元36的拉动下，实现运动部件1的往复运动。
Claims (1)
1.一种多自由度仿生关节，其特征在于：包括运动部件、支撑部件和驱动部件，所述支撑部件上端是凹形关节面、侧端设置凸节，所述运动部件的下端是球形体，且所述球形体配合安装在所述凹形关节面中，所述驱动部件包括连接球形体与凹形关节面的六根柔性丝、连接凸节与运动部件的两组旋转肌肉单元和对称设置在支撑部件上部边缘与运动部件之间的四组拉伸肌肉单元，所述两组旋转肌肉单元对称设置在凸节的两侧，六根柔性丝中的一根设置在凸节的中间位置、另外五根沿周向均匀设置在凸节对面的一侧的对应位置，所述球形体外表面和凹形关节面的内表面分别涂有减阻涂层，所述旋转肌肉单元和拉伸肌肉单元均是由至少两片电致动智能材料和电极块组成的线性拉力器，外界无电压信号时，运动部件的球形体在柔性丝的支撑下处于竖直状态；在四组拉伸肌肉单元的驱动配合下，实现运动部件的不同方向摆动运动；在旋转肌肉单元的拉动下，实现运动部件的单方向转动，而在旋转肌肉单元的拉动下，实现运动部件的往复运动，构成整个仿生关节的多自由度运动。
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