CN104842345A - 一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂。其包含电机驱动云台、气动肌肉（PAM）仿生肘关节、形状记忆合金（SMA）仿生腕关节以及IPMC仿生手。其中肩关节有2个旋转自由度；肘关节有3个旋转自由度；腕关节有2个旋转自由度；仿生手含有4根手指，有11个自由度，故机械臂共有18个自由度。云台与肘关节通过轴连接，肘关节与腕关节通过3根螺栓固连，腕关节与仿生手通过螺纹固连。该机械臂相较同规格电机驱动机械臂具有结构简单、功率密度比高、安全性好、柔顺性强等优点，通过模仿人体上肢骨骼-肌肉系统，使得该机械臂拥有更好的灵活性及仿生学特征。本发明可被广泛应用于家庭服务、康复医疗、排险救援以及物资搬运等领域中。

Description

一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂

技术领域

本发明涉及一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其属于机器人领域、仿生学领域及智能材料领域。

背景技术

模仿人类手臂功能的机械臂目前在军事、医疗及服务等领域都获得了一定的应用，其不仅可以代替人类在危险的环境下进行作业，亦可以帮助残障人士完成日常的行为动作。但目前仿人机械臂的驱动装置主要采用电机与减速机构配合的方案，机器人的多自由度运动采用的是多电机联动实现，从而大大增加了机器人重量，降低了安全性，也使得传动机构更加复杂化。在提高机械臂驱动装置的功率密度比方面，国内外主要集中在对刚性驱动的研究上，且主要以缩小冷却系统体积、提高电机转速等方式达到这一目的。然而由于传统电机功率密度随着体积的减小而迅速降低，又由于传动误差和摩擦力的存在，使得在提高驱动系统的功率密度和整体响应性能方面受到限制。

此外，仿生结构设计也是高性能仿生柔顺驱动技术的重要方面，目前的仿人机械臂设计思想基本是用机械设计的原理和理论，仿照生物骨骼结构的功能和外形进行设计，但生物运动离不开肌肉系统，需要综合考虑肌肉-骨骼系统的仿生设计。

目前国内外均对人工肌肉驱动机械臂进行了大量的研究，例如德国FESTO公司研制的AirArm，其由转子、上臂、前臂及末端夹持器组成，共由12根气动肌肉驱动，实现6个自由度；日本中央大学精密机械学院亦基于气动肌肉研制了7自由度人工肌肉手臂，其由肩部、肘部及腕部组成，共由16根气动肌肉进行驱动。国内方面，浙江理工大学金英子研制了一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手（中国发明专利，CN104589310 A），其由机械大臂、机械小臂、手以及5个手指组成，由多个气动肌肉群进行驱动；此外，金英子亦研制了一种基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂（中国发明专利，CN 101817181 A），其由固定平台、肩关节、肩关节驱动、肘关节、肘关节驱动、腕关节和腕关节驱动组成，共由14根气动肌肉进行驱动；南京航空航天大学王扬威研制了一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂（中国发明专利，CN 102962850 A），其利用SMA 丝作为动力源，可模仿章鱼腕的柔性弯曲和收缩运动。

目前研制的人工肌肉驱动机械臂尚还采用单一的人工肌肉材料作为驱动器，然而不同的人工肌肉均有不同的优点特性，利用不同的人工肌肉材料对机械臂进行混合驱动，能在很大程度上提高机械臂的结构及驱动性能。

发明内容

本发明通过模仿人体上肢骨骼-肌肉系统，利用气动肌肉（PAM）、形状记忆合金（SMA）及IPMC作为驱动器，从而使所设计的仿人机械臂拥有结构简单、功率密度比大、安全性强、灵活性好等特点。

本发明所采用的技术方案：

通过模仿人体上肢肌肉-骨骼系统，根据GB10000-88、GB/T13547-92，以身高168cm中国成年男子的上臂尺寸及关节运动范围为标准，分别设计气动肌肉仿生关节、形状记忆合金仿生腕关节以及IPMC仿生手。各关节结构如下：

（1）仿生肘关节采用1-RT-3-RTPTR并联机构，其由固定平台、运动平台、支撑杆、虎克铰、连接小轴及PAM等组成，其中固定平台安有3个虎克铰、运动平台安有4个虎克铰，每个虎克铰通过连接小轴与平台相连；3根PAM的两端分别通过虎克铰与固定平台及运动平台相连；支撑杆下端通过螺纹与固定平台固连，上端通过虎克铰与运动平台相连。分别通过对3根气动肌肉进行充放气控制，进而实现运动平台的屈/伸、外展/内收以及旋内/旋外3个旋转自由度。

（2）仿生腕关节由运动平台、手腕支架、滑轮、万向联轴节及SMA驱动器等组成。其运动平台通过万向联轴节与手腕支架相连；4个SMA驱动器分别通过螺栓与手腕支架四周的滑槽相连；运动平台四周配有定位过孔，并通过鱼线分别与4个SMA驱动器相连，并通过滑轮实现对鱼线的张紧；相对的两个SMA驱动器相互配合，进行拮抗作用，通过对SMA驱动器施加电压，从而实现运动平台的屈/伸及外展/内收2个旋转自由度。

（3）仿生手由手掌外侧板、手掌内侧板、手掌隔板、滑轮、掌指连接结构、拇指、食指、中指、环指、IPMC驱动器、SMA驱动器等组成，其中食指、中指及环指由近指节、中指节及远指节组成，拇指由近指节与远指节组成。手掌外侧板、内侧板与隔板之间通过长螺栓进行连接；掌指连接结构通过螺栓与手掌外侧板及内侧板固连；近指节与掌指连接结构、中指节与近指节、远指节与中指节均采用销轴连接；SMA驱动器通过鱼线分别与中指节及近指节的定位过孔相连；IPMC驱动器放置于远指节内部凹槽内。通过对IPMC驱动器施加电压，实现远指节的屈/伸运动；通过对SMA驱动器施加电压，并与复位弹簧组成拮抗结构，从而实现中指节和近指节的屈/伸运动。

除上述部分，机械臂还包括电机驱动的云台，其由云台上部及云台下部等组成，将云台上部凸缘插进安装在云台下端的滚动轴承内。2个电机分别通过螺栓与云台相连，通过驱动电机及齿轮传动从而带动仿生肘、腕和手整体实现俯仰及偏转运动。

各部分之间的连接方式如下：PAM仿生肘关节固定平台通过轴与云台上部相连；SMA仿生腕关节手腕支架通过螺栓与PAM仿生肘关节运动平台相连；IPMC仿生手手掌外侧通过螺纹与SMA仿生腕关节运动平台固连。

本发明与现有仿人机械臂相比具有结构简单、功率密度比大、安全性强等特点，此外通过模仿人体上肢骨骼-肌肉系统，使得机械臂拥有更好的灵活性及仿生学特点。该发明可被广泛应用于服务医疗领域中，从而帮助残障人士完成取物等日常行为活动；此外，其亦可被安装到移动机器人上，应用于排险救援、物资搬运等军事任务中，从而在高危环境中代替人类完成部分工作。

附图说明

下面结合附图说明书对本专利进行说明：

图1为多种人工肌肉混合驱动仿人机械臂结构示意图；

图2为IPMC仿生手结构示意图；

图3为SMA仿生腕关节结构示意图；

图4为PAM仿生肘关节结构示意图；

图5为气动肌肉实物图；

图6 SMA驱动器实物图（参照MIGA公司）；

图7 IPMC驱动器实物图。

具体实施方式

图1为多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂结构示意图，仿人手臂由云台、PAM仿生肘关节、SMA仿生腕关节以及IPMC仿生手组成。其中PAM仿生肘关节的固定平台25，通过轴26与云台上部3相连，并通过电机1和电机4，配合齿轮传动27，从而使机械臂整体实现俯仰及偏转运动；仿生肘关节运动平台9与腕关节手腕支架24之间通过螺栓固连在一起；SMA仿生腕关节运动平台21通过螺纹与IPMC仿生手手掌内侧板10固连在一起。

PAM仿生肘关节共需7个虎克铰6，其中3个虎克铰6呈正三角形安放在固定平台25上，另外3个虎克铰6与其对应安放在运动平台9上，剩余一个虎克铰6则安放在运动平台9的中心处，所有虎克铰6均通过连接轴5与平台相连；支撑杆7上端与运动平台9中心点出的虎克铰6相连，下端与固定平台25通过螺纹固连。3根气动肌肉8分别通过虎克铰6与固定平台25及运动平台9相连。分别对3根气动肌肉8充气即可使运动平台9实现屈/伸、外展/内收以及旋内/旋外运动。

SMA仿生腕关节运动平台21通过万向联轴节22与手腕支架24相连， 4个SMA驱动器23分别通过鱼线与运动平台21四周的定位过孔相连，并用手腕支架24上固定的滑轮对鱼线进行张紧。分别对SMA驱动器23提供电压，使相对的两个驱动器之间进行拮抗运动，从而带动运动平台21旋转。

IPMC仿生手由拇指11、食指13、中指14、环指15、掌指连接结构12、手掌外侧板20、手掌内侧板10、手掌隔板19以及滑轮等组成。拇指11由近指节18及远指节16组成，其余三根手指由近指节18、中指节17及远指节16组成，各指节间通过销轴进行连接。IPMC驱动器放置于各手指远指节16的内部凹槽内，SMA驱动器23通过螺栓安放在手腕支架内部，并通过鱼线与各根手指近指节18及中指节17上的定位过孔相连，利用手掌内部安放的滑轮对鱼线进行张紧。通过对IPMC及SMA驱动器施加电压，使驱动器产生形变，从而带动手指转动。

本发明较同规格电机驱动机械臂拥有更高的功率密度比、柔顺性及安全性，此外由于其结构简单，更易于安装维护。

Claims (5)

1.一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，仿人手臂由云台、PAM仿生肘关节、SMA仿生腕关节以及IPMC仿生手组成；其中PAM仿生肘关节的固定平台，通过轴与云台上部相连；仿生肘关节运动平台与腕关节手腕支架之间通过螺栓固连在一起；SMA仿生腕关节运动平台通过螺纹与IPMC仿生手手掌内侧板固连在一起。

2.根据权利要求1所述的多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其特征在于PAM仿生肘关节共需7个虎克铰，其中3个呈正三角形安放在固定平台上，另外3个虎克铰与其对应安放在运动平台上，剩余一个虎克铰则安放在运动平台的中心处，所有虎克铰均通过连接轴与平台相连；支撑杆上端与运动平台中心点出的虎克铰相连，下端与固定平台通过螺纹固连；3根气动肌肉分别通过虎克铰与固定平台及运动平台相连。

3.根据权利要求1所述的多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其特征在于SMA仿生腕关节运动平台通过万向联轴节与手腕支架相连；4个SMA驱动器分别利用螺栓固定在手腕支架四周的滑槽上，通过鱼线将其与运动平台四周的定位过孔相连，并用手腕支架上固定的滑轮对鱼线进行张紧。

4.根据权利要求1所述的多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其特征在于IPMC仿生手由拇指、食指、中指、环指、掌指连接结构、手掌外侧板、手掌内侧板、手掌隔板以及滑轮等组成；拇指由近指节及远指节组成，其余三根手指由近指节、中指节及远指节组成，各指节间通过销轴进行连接；IPMC驱动器放置于各手指远指节的内部凹槽内，SMA驱动器通过螺栓安放在手腕支架内部，并通过鱼线与各根手指近指节及中指节上的定位过孔相连，利用手掌内部安放的滑轮对鱼线进行张紧。

5.根据权利要求1所述的多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其特征在于电机驱动的云台，其由云台上部及云台下部等组成，通过将云台上部凸缘插进安装在云台下端的滚动轴承内，完成云台的安装；2个电机分别通过螺栓与云台上部及下部相连，通过齿轮将云台上部电机的转动传递到肘关节固定平台与云台上部的连接轴上。