CN105083411B - 一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢 - Google Patents

Abstract

一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，它涉及一种机器人，以解决现有主动机器人采用刚性结构驱动，系统结构复杂，柔顺性差及机器人的能量效率较低的问题，它包括左腿、右腿和骨盆；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节、上踝关节和下踝关节；左腿和右腿通过骨盆连接，骨盆通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过上踝关节与踝关节板转动连接；踝关节板通过下踝关节与足部转动连接；大腿上设置有髂肌、股大肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌和股直肌，小腿上设置有胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌、内收肌和腓骨肌；髂肌和股大肌的上端分别与骨盆铰接。本发明属于仿人机器人领域。

Description

一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢

技术领域

本发明涉及一种机器人，属于仿人机器人领域。

背景技术

仿人双足机器人是机器人领域的研究热点，双足机器人可以实现稳定步行、跑步、上下楼梯等动作。传统的双足机器人即主动机器人通常采用刚性的电机和减速器作为驱动元件，控制和驱动系统十分复杂，使得机器人的能量效率很低。

发明内容

本发明是为解决现有主动机器人采用刚性结构驱动，系统结构复杂，柔顺性差及机器人的能量效率较低的问题，进而提供一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，它包括左腿、右腿和骨盆；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节、上踝关节和下踝关节；

左腿和右腿通过骨盆连接，骨盆通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过上踝关节与踝关节板转动连接；踝关节板通过下踝关节与足部转动连接，髋关节轴、膝关节轴和上踝关节轴的轴向平行，上踝关节轴的轴向与下踝关节轴的轴向垂直；

左腿和右腿分别还包括11条气动肌腱，11条气动肌腱分别是髂肌、股大肌、股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、比目鱼肌、半腱肌、股直肌、腓肠肌、内收肌和腓骨肌；

大腿上设置有髂肌、股大肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌和股直肌，小腿上设置有胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌、内收肌和腓骨肌；髂肌和股大肌采用拮抗式布置方式设置，股外侧肌和股二头肌采用拮抗式布置方式设置，胫骨前肌和比目鱼肌采用拮抗式布置方式设置，股直肌和半腱肌采用拮抗式布置方式设置；内收肌和腓骨肌采用拮抗式布置方式设置；

髂肌和股大肌的上端分别与骨盆铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴的轴向平行，髂肌和股大肌的下端分别与大腿铰接；股外侧肌和股二头肌的上端分别与大腿铰接，股外侧肌和股二头肌的下端分别与膝关节轴铰接；胫骨前肌和比目鱼肌的上端分别与小腿铰接，胫骨前肌和比目鱼肌的下端分别与踝关节板铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴的轴向平行；股直肌和半腱肌的上端分别与骨盆铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴的轴向平行，股直肌和半腱肌的下端分别与膝关节轴铰接，腓肠肌的上端与膝关节轴铰接，腓肠肌的下端与足部铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴的轴向平行，半腱肌和腓肠肌上下正对设置，内收肌和腓骨肌的上端分别与小腿铰接，内收肌和腓骨肌的下端分别与足部铰接。

本发明的有益效果是：本发明仿照人类下肢结构，机器人的每条腿由大腿、小腿和足部、髋关节、膝关节和踝关节连接而成，两条腿之间由骨盆连接；按照人体下肢的肌肉布置方式，机器人的每条腿由11条气动人工肌肉驱动，包括八条单关节肌肉和三条双关节肌肉。采用拮抗式布置方式设置，每个关节由一对拮抗式肌肉驱动，每条腿上面还有三条双关节肌肉(肌肉跨过两个关节)，一条肌肉动作引起两个关节耦合运动，本发明研制的双足机器人通过类似于人体肌肉的气动肌腱(气动肌肉)排布方式实现了关节的柔性驱动，并可实现仿人步行。本发明的系统结构简单，使用便捷，本发明采用气动人工肌肉作为双足机器人的驱动元件，由于气动人工肌肉具有柔顺、功率/质量比大、在力/长度特性上与人类肌肉相似等优点，因此，使得机器人的关节具有柔性，有利于提高机器人的能量效率。

附图说明

图1是本发明的仿人下肢整体结构示意图，图2是本发明腿部结构示意图，图3是图2的侧视图，图4是髂肌与股大肌安装结构示意图，图5是股外侧肌与股二头肌安装结构示意图，图6是胫骨前肌与比目鱼肌安装结构示意图，图7是内收肌和腓骨肌安装结构示意图，图8是股直肌、半腱肌与腓肠肌安装结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图8说明，本实施方式的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，它包括左腿A、右腿B和骨盆C；左腿A和右腿B分别包括大腿1、小腿2、足部3、髋关节4、膝关节5、上踝关节61和下踝关节62；

左腿A和右腿B通过骨盆C连接，骨盆3通过髋关节4与大腿1转动连接，大腿1通过膝关节5与小腿2转动连接，小腿2通过上踝关节61与踝关节板6-4转动连接；踝关节板6-4通过下踝关节62与足部3转动连接，髋关节轴4-1、膝关节轴5-1和上踝关节轴6-1的轴向平行，上踝关节轴6-1的轴向与下踝关节轴6-6的轴向垂直；

左腿A和右腿B分别还包括11条气动肌腱，11条气动肌腱分别是髂肌7、股大肌8、股外侧肌9、股二头肌10、胫骨前肌11、比目鱼肌12、半腱肌13、股直肌14、腓肠肌15、内收肌26和腓骨肌27；

大腿1上设置有髂肌7、股大肌8、股外侧肌9、股二头肌10、半腱肌13和股直肌14，小腿2上设置有胫骨前肌11、比目鱼肌12、腓肠肌15、内收肌26和腓骨肌27；髂肌7和股大肌8采用拮抗式布置方式设置，股外侧肌9和股二头肌10采用拮抗式布置方式设置，胫骨前肌11和比目鱼肌12采用拮抗式布置方式设置，股直肌14和半腱肌13采用拮抗式布置方式设置；内收肌26和腓骨肌27采用拮抗式布置方式设置；

髂肌7和股大肌8的上端分别与骨盆C铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴4-1的轴向平行，髂肌7和股大肌8的下端分别与大腿1铰接；股外侧肌9和股二头肌10的上端分别与大腿1铰接，股外侧肌9和股二头肌10的下端分别与膝关节轴5-1铰接；胫骨前肌11和比目鱼肌12的上端分别与小腿2铰接，胫骨前肌11和比目鱼肌12的下端分别与踝关节板6-4铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴6-1的轴向平行；股直肌14和半腱肌13的上端分别与骨盆3铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴4-1的轴向平行，股直肌14和半腱肌13的下端分别与膝关节轴5-1铰接，腓肠肌14的上端与膝关节轴5-1铰接，腓肠肌15的下端与足部3铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴6-1的轴向平行，半腱肌13和腓肠肌15上下正对设置，内收肌26和腓骨肌27的上端分别与小腿2铰接，内收肌26和腓骨肌27的下端分别与足部3铰接。

本实施方式的骨盆的上部布置有用于给髂肌7、股大肌8、股外侧肌9、股二头肌10、胫骨前肌11、比目鱼肌12、半腱肌13、股直肌14、腓肠肌15、内收肌26和腓骨肌27这11条气动肌腱充气的气路28及气口28-1。本实施方式的气动肌腱优选用德国FESTO公司生产的DMSP系列产品。拮抗式布置方式设置为现有技术，类似于杠杆的方式实现部件之间的内收和外伸运动。

具体实施方式二：结合图2和图3说明，本实施方式的每个大腿1包括大腿外侧板1-1、大腿内侧板1-2和大腿支撑板1-3；大腿外侧板1-1和大腿内侧板1-2之间布置有与二者连接的大腿支撑板1-3，髋关节4包括两个第一轴承组件4-2，两个第一轴承组件4-2分别安装在骨盆C上，髋关节轴4-1转动安装在两个第一轴承组件4-2上，腿内侧板1-2和大腿外侧板1-1分别与髋关节轴4-1连接。本实施反式的大腿外侧板1-1与大腿内侧板1-2壳通过平键与髋关节轴4-1连接，从而当髋关节轴转动时，带动大腿转动。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明，本实施方式的每个小腿2包括小腿外侧板2-1、小腿内侧板2-2和大腿支撑板2-3；小腿外侧板2-1和小腿内侧板2-2之间布置有与二者连接的小腿支撑板2-3，膝关节5包括第二轴承组件5-2，上踝关节61包括两个第三轴承组件6-2，下踝关节62包括两个第四轴承组件6-5；

第二轴承组件5-2固装在大腿外侧板1-1和大腿内侧板1-2上，膝关节轴5-1安装在第二轴承组件5-2上，小腿外侧板2-1的上部和小腿内侧板2-2的上部分别固装在膝关节轴5-1上，小腿外侧板2-1和小腿内侧板2-2的下部各安装有一个第三轴承组件6-2，上踝关节轴6-1安装在两个第三轴承组件6-2上，踝关节板6-4与上踝关节轴6-1连接，两个第四轴承组件6-5安装在踝关节板6-4上，下踝关节轴6-6安装在两个第四轴承组件6-5上，足部3与下踝关节轴6-6连接。如此设置，小腿外侧板2-1与小腿内侧板2-2通过平键与膝关节轴5-1连接，从而当膝关节轴5-1转动时，带动小腿2转动；踝关节连接件6-3通过平键与上踝关节轴6-1连接，足部连接件6-7通过平键与下踝关节轴6-6连接，足部3与足部连接件6-7固连，从而可实现足部绕上踝关节轴6-1与下踝关节轴6-6的转动。

具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式的骨盆C为平板。如此设置，使用方便，加工方便，满足实际需要和设计要求。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明，本实施方式的足部3为平板。如此设置，仿人下肢能够实现站立，并且有助于简化机器人的控制，满足实际需要和设计要求。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图4说明，本实施方式的左腿A和右腿B分别还包括四个第一铰接座16和四个第一关节接头17；

其中一个第一铰接座16安装在骨盆C上，剩余一个第一铰接座16安装在大腿1上，髂肌7和股大肌8各自的上下两端分别安装一个第一关节接头17，上端的两个第一关节接头17分别通过铰链销铰接在所述其中一个第一铰接座16上，下端的两个第一关节接头17分别通过铰链销铰接在所述剩余两个第一铰接座16上。如此设置，当髂肌充气收缩，股大肌排气伸长，或者股大肌充气收缩，髂肌排气伸长时，大腿绕髋关节轴转动，。其它具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：结合图5说明，本实施方式的左腿A和右腿B分别还包括两个第二铰接座18和四个第二关节接头19；

其中一个第二铰接座18安装在大腿1上，剩余一个第二铰接座18安装在膝关节轴5-1上，股外侧肌9和股二头肌10各自的上下两端分别安装有一个第二关节接头19，上端的两个第二关节接头19分别通过铰链销铰接在其中一个第二铰接座18上，下端的两个第二关节接头19分别通过铰链销铰接在剩余一个第二铰接座18上。本实施方式的第二铰链座可通过平键与膝关节轴连接。当股外侧肌充气收缩，股二头肌排气伸长，或者股二头肌充气收缩，股外侧肌排气伸长时，小绕膝关节轴转动。其它具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图6说明，本实施方式的左腿A和右腿B分别还包括四个第三铰接座20和四个第三关节接头21；

其中两个第三铰接座20分别安装在小腿2上，剩余两个第三铰接座20分别安装在踝关节板6-4上，胫骨前肌11和比目鱼肌12各自的上下两端分别安装一个第三关节接头21，上端的两个第三关节接头21分别通过铰链销铰接在两个第三铰接座20上，下端的两个第三关节接头21分别通过铰链销铰接在剩余一个第三铰接座20上。如此设置，当胫骨前肌充气收缩，比目鱼肌排气伸长，或者比目鱼肌充气收缩，胫骨前肌排气伸长时，足部绕上踝关节轴6-1转动。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图7说明，本实施方式的左腿A和右腿B分别还包括两个L形板29和四个万向接头28；

两个L形板29的短板分别安装在小腿内侧板和小腿外侧板上，内收肌26和腓骨肌27各自的上下两端分别安装一个万向接头28，上端的两个万向接头28分别与两个L形板29的长板固接，下端的两个万向接头28分别与足部3固接。如此设置，内收肌的安装方式与腓骨肌相同。当腓骨肌充气收缩，内收肌排气伸长，或者内收肌充气收缩，腓骨肌排气伸长时，足部绕下踝关节轴6-6转动。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图8说明，本实施方式的左腿A和右腿B分别还包括第五铰接座24、两个五关节接头25、三个第四铰接座22和四个第四关节接头23；

其中两个第四铰接座22分别安装在骨盆C上，剩余一个第四铰接座22安装在膝关节轴5-1上，半腱肌13和股直肌14各自的上下两端分别安装一个第四关节接头23，上端的两个第四关节接头23分别通过铰链销铰接在所述其中两个第四铰接座22上，下端的两个第四关节接头23分别通过铰链销铰接在所述剩余一个第四铰链座22上，腓肠肌15的两端各连接一个第五关节接头25，第五铰接座24安装在踝关节板6-4上，其中一个第五关节接头25通过铰链销铰接在剩余一个第四铰接座22上，剩余一个第五关节接头25通过铰链销铰接在第五铰接座24上。本实施方式的第四铰接座可通过平键与膝关节轴连接，当股直肌充气收缩，半腱肌排气伸长，或者半腱肌充气收缩，股直肌排气伸长时，髋关节轴与膝关节轴同时转动。当腓肠肌充气收缩时，膝关节轴与踝关节轴同时转动。

工作过程

整个机器人使用时，配置气源、控制器和电磁阀，气源采用小型空气压缩机，用于向气动肌腱提供压缩空气，电磁阀采用SMC公司生产的中位封闭的三位五通电磁阀，可以分别控制气动肌腱进气、排气和封闭，机器人运行时，首先规划出各个关节的轨迹，然后由控制器控制各个电磁阀动作，带动各条气动肌腱收缩，从而使机器人实现预期的运动。

Claims (10)

1.一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：它包括左腿(A)、右腿(B)和骨盆(C)；左腿(A)和右腿(B)分别包括大腿(1)、小腿(2)、足部(3)、髋关节(4)、膝关节(5)、上踝关节(61)和下踝关节(62)；

左腿(A)和右腿(B)通过骨盆(C)连接，骨盆(3)通过髋关节(4)与大腿(1)转动连接，大腿(1)通过膝关节(5)与小腿(2)转动连接，小腿(2)通过上踝关节(61)与踝关节板(6-4)转动连接；踝关节板(6-4)通过下踝关节(62)与足部(3)转动连接，髋关节轴(4-1)、膝关节轴(5-1)和上踝关节轴(6-1)的轴向平行，上踝关节轴(6-1)的轴向与下踝关节轴(6-6)的轴向垂直；

左腿(A)和右腿(B)分别还包括11条气动肌腱，11条气动肌腱分别是髂肌(7)、股大肌(8)、股外侧肌(9)、股二头肌(10)、胫骨前肌(11)、比目鱼肌(12)、半腱肌(13)、股直肌(14)、腓肠肌(15)、内收肌(26)和腓骨肌(27)；

大腿(1)上设置有髂肌(7)、股大肌(8)、股外侧肌(9)、股二头肌(10)、半腱肌(13)和股直肌(14)，小腿(2)上设置有胫骨前肌(11)、比目鱼肌(12)、腓肠肌(15)、内收肌(26)和腓骨肌(27)；髂肌(7)和股大肌(8)采用拮抗式布置方式设置，股外侧肌(9)和股二头肌(10)采用拮抗式布置方式设置，胫骨前肌(11)和比目鱼肌(12)采用拮抗式布置方式设置，股直肌(14)和半腱肌(13)采用拮抗式布置方式设置；内收肌(26)和腓骨肌(27)采用拮抗式布置方式设置；

髂肌(7)和股大肌(8)的上端分别与骨盆(C)铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴(4-1)的轴向平行，髂肌(7)和股大肌(8)的下端分别与大腿(1)铰接；股外侧肌(9)和股二头肌(10)的上端分别与大腿(1)铰接，股外侧肌(9)和股二头肌(10)的下端分别与膝关节轴(5-1)铰接；胫骨前肌(11)和比目鱼肌(12)的上端分别与小腿(2)铰接，胫骨前肌(11)和比目鱼肌(12)的下端分别与踝关节板(6-4)铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴(6-1)的轴向平行；股直肌(14)和半腱肌(13)的上端分别与骨盆(3)铰接，该铰接轴的轴向与髋关节轴(4-1)的轴向平行，股直肌(14)和半腱肌(13)的下端分别与膝关节轴(5-1)铰接，腓肠肌(14)的上端与膝关节轴(5-1)铰接，腓肠肌(15)的下端与足部(3)铰接，该铰接轴的轴向与踝关节轴(6-1)的轴向平行，半腱肌(13)和腓肠肌(15)上下正对设置，内收肌(26)和腓骨肌(27)的上端分别与小腿(2)铰接，内收肌(26)和腓骨肌(27)的下端分别与足部(3)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：每个大腿(1)包括大腿外侧板(1-1)、大腿内侧板(1-2)和大腿支撑板(1-3)；大腿外侧板(1-1)和大腿内侧板(1-2)之间布置有与二者连接的大腿支撑板(1-3)，髋关节(4)包括两个第一轴承组件(4-2)，两个第一轴承组件(4-2)分别安装在骨盆(C)上，髋关节轴(4-1)转动安装在两个第一轴承组件(4-2)上，大腿内侧板(1-2)和大腿外侧板(1-1)分别与髋关节轴(4-1)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：每个小腿(2)包括小腿外侧板(2-1)、小腿内侧板(2-2)和大腿支撑板(2-3)；小腿外侧板(2-1)和小腿内侧板(2-2)之间布置有与二者连接的小腿支撑板(2-3)，膝关节(5)包括第二轴承组件(5-2)，上踝关节(61)包括两个第三轴承组件(6-2)，下踝关节(62)包括两个第四轴承组件(6-5)；

第二轴承组件(5-2)固装在大腿外侧板(1-1)和大腿内侧板(1-2)上，膝关节轴(5-1)安装在第二轴承组件(5-2)上，小腿外侧板(2-1)的上部和小腿内侧板(2-2)的上部分别固装在膝关节轴(5-1)上，小腿外侧板(2-1)和小腿内侧板(2-2)的下部各安装有一个第三轴承组件(6-2)，上踝关节轴(6-1)安装在两个第三轴承组件(6-2)上，踝关节板(6-4)与上踝关节轴(6-1)连接，两个第四轴承组件(6-5)安装在踝关节板(6-4)上，下踝关节轴(6-6)安装在两个第四轴承组件(6-5)上，足部(3)与下踝关节轴(6-6)连接。

4.根据权利要求3所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：骨盆(C)为平板。

5.根据权利要求4所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：足部(3)为平板。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：左腿(A)和右腿(B)分别还包括四个第一铰接座(16)和四个第一关节接头(17)；

其中两个第一铰接座(16)安装在骨盆(C)上，剩余两个第一铰接座(16)安装在大腿(1)上，髂肌(7)和股大肌(8)各自的上下两端分别安装一个第一关节接头(17)，上端的两个第一关节接头(17)分别通过铰链销铰接在所述其中两个第一铰接座(16)上，下端的两个第一关节接头(17)分别通过铰链销铰接在所述剩余两个第一铰接座(16)上。

7.根据权利要求6所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：左腿(A)和右腿(B)分别还包括两个第二铰接座(18)和四个第二关节接头(19)；

其中一个第二铰接座(18)安装在大腿(1)上，剩余一个第二铰接座(18)安装在膝关节轴(5-1)上，股外侧肌(9)和股二头肌(10)各自的上下两端分别安装有一个第二关节接头(19)，上端的两个第二关节接头(19)分别通过铰链销铰接在其中一个第二铰接座(18)上，下端的两个第二关节接头(19)分别通过铰链销铰接在剩余一个第二铰接座(18)上。

8.根据权利要求7所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：左腿(A)和右腿(B)分别还包括四个第三铰接座(20)和四个第三关节接头(21)；

其中两个第三铰接座(20)安装在小腿(2)上，剩余两个第三铰接座(20)安装在踝关节板(6-4)上，胫骨前肌(11)和比目鱼肌(12)各自的上下两端分别安装一个第三关节接头(21)，上端的两个第三关节接头(21)分别通过铰链销铰接在其中两个第三铰接座(20)上，下端的两个第三关节接头(21)分别通过铰链销铰接在剩余两个第三铰接座(20)上。

9.根据权利要求8所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：左腿(A)和右腿(B)分别还包括两个L形板(29)和四个万向接头(28)；

两个L形板(29)的短板分别安装在小腿内侧板(2-2)和小腿外侧板(2-1)上，内收肌(26)和腓骨肌(27)各自的上下两端分别安装一个万向接头(28)，上端的两个万向接头(28)分别与两个L形板(29)的长板固接，下端的两个万向接头(28)分别与足部(3)固接。

10.根据权利要求9所述的一种气动人工肌肉驱动的仿人下肢，其特征在于：左腿(A)和右腿(B)分别还包括第五铰接座(24)、两个五关节接头(25)、三个第四铰接座(22)和四个第四关节接头(23)；

其中两个第四铰接座(22)分别安装在骨盆(C)上，剩余一个第四铰接座(22)安装在膝关节轴(5-1)上，半腱肌(13)和股直肌(14)各自的上下两端分别安装一个第四关节接头(23)，上端的两个第四关节接头(23)分别通过铰链销铰接在所述其中两个第四铰接座(22)上，下端的两个第四关节接头(23)分别通过铰链销铰接在所述剩余一个第四铰链座(22)上，腓肠肌(15)的两端各连接一个第五关节接头(25)，第五铰接座(24)安装在踝关节板(6-4)上，其中一个第五关节接头(25)通过铰链销铰接在所述剩余一个第四铰接座(22)上，剩余一个第五关节接头(25)通过铰链销铰接在第五铰接座(24)上。