CN105269591B - 两自由度大角度运动仿生肘关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种两自由度大角度运动仿生关节。本发明包括上关节骨、旋转盘、关节支架、改线骨、关节轴、肌腱固定栓、第一可调阻尼器、第二可调阻尼器、复位扭簧、第一斜肌、第二斜肌、钢丝肌腱；在气动肌肉的驱动下，控制第一可调阻尼器与第二可调阻尼器可实现两个自由度的运动，并具有一定负载能力和变刚度特性；交叉斜拉的第一斜肌与第二斜肌，可实现仿生关节两个自由度方向的大角度运动；本发明在实现了对生物关节的仿生模拟的同时，还具有功能上的创新和扩展，值得应用。

Description

两自由度大角度运动仿生肘关节

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种两自由度大角度运动仿生肘关节。

背景技术

机械手臂广泛应用在汽车制造业、电子、半导体制造行业、生产自动化的实现等领域。在各类型的机器人手臂中，模拟人体手臂构成的关节型机器人手臂，具有结构简单、占用空间小、相对工作空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。传统的机械手臂机械结构和驱动装置具有高质量、高刚度、功率重量比低等特点，不适宜与人进行接触操作，限制了与人的交流。随着机器人技术的发展，人们希望新型的机器人手臂具有精度高、响应快等优点之外，同时也希望具有良好的柔顺性，避免机器人对人造成伤害。

气动肌肉作为新型气动执行元件，与生物肌肉具有很大的相似性，且具有柔性高、重量轻、使用方便、响应速度快、成本低廉等优点，在机器人、仿生机械等领域中有着广泛的应用。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献[申请号：201510311779.3]公开了一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，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，机械臂共有 18 个自由度。其中肘关节由固定平台、运动平台、支撑杆、虎克铰、连接小轴及气动肌肉等组成，可实现屈/伸、外展/内收以及旋前/旋后的动作。但上述发明肘关节存在承载能力弱、刚度低的特点。

浙江理工大学刘爽等人研究设计的气动肌肉机械手臂的肘关节使用四根气动肌肉驱动肘关节完成屈/伸、旋前/旋后两个自由度的运动，完成屈/伸或旋前/旋后动作时，气动肌肉两两为一组，实现两个自由度方向的运动，但手臂肘关节两个自由度方向的转动角度有限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷和不足，提出了一种两自由度大角度运动仿生关节。

为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：它包括上关节骨、旋转盘、关节支架、改线骨、关节轴、肌腱固定栓、第一可调阻尼器、第二可调阻尼器、复位扭簧、第一斜肌、第二斜肌、钢丝肌腱；所述第一斜肌、第二斜肌均为气动肌肉，关节支架上端通过关节轴铰接在上关节骨中心位置，关节支架下端穿入旋转盘中心处的通孔连接，改线骨中心处穿过关节支架且与关节支架固接，并与上关节骨在同一平面内，肌腱固定栓穿过通孔固定在上关节骨上，改线骨和旋转盘上均设有钢丝通孔，第一斜肌一端通过钢丝肌腱固定在肌腱固定栓上，另一端通过钢丝肌腱牵引依次穿过旋转盘上的钢丝通孔、改线骨上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓上，同理，第二斜肌一端通过钢丝肌腱固定在肌腱固定栓上，另一端通过钢丝肌腱牵引一次穿过旋转盘上的钢丝通孔、改线骨上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓上，第一斜肌与第二斜肌空间上呈交叉状态。

在上述的装置中，所述的关节轴一端设有第一可调阻尼器，所述关节支架下端与旋转盘结合处设有第二可调阻尼器，所述旋转盘中心位置设有复位扭簧，复位扭簧安装在关节支架下端。

本发明采用气动肌肉驱动，可实现关节屈伸和旋转两个自由度的运动，具有灵活、清洁和节能的优点；第一斜肌第二斜肌采用斜拉的方式，能够实现屈/伸和旋前/旋后的大角度运动；调节第一可调阻尼器与第二可调阻尼器，能够使得仿生关节具有一定的负载能力和减震的功能；同时还可以根据需要控制第一可调阻尼器和第二可调阻尼器锁定转动副和旋转副，使仿生关节在必要时，姿态呈现出刚性特征。本发明很好的模拟了两自由度生物关节的特性，同时具有功能上的创新和扩展，值得应用。

附图说明

图1是两自由度仿生关节的初始状态图；

图2是两自由度仿生关节的运动状态图；

图3是旋转盘的底部结构图；

图中，1、上关节骨；2、旋转盘；3、关节支架； 4、改线骨； 5、关节轴； 6、肌腱固定栓； 7、第一可调阻尼器； 8、第二可调阻尼器； 9、复位扭簧； 10、第一斜肌； 11、第二斜肌；12、钢丝肌腱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、图2和图3所示，本发明包括上关节骨1、旋转盘2、关节支架3、改线骨4、关节轴5、肌腱固定栓6、第一可调阻尼器7、第二可调阻尼器8、复位扭簧9、第一斜肌10、第二斜肌11、钢丝肌腱12；所述第一斜肌10、第二斜肌11均为气动肌肉，关节支架3上端通过关节轴5铰接在上关节骨1中心位置，关节支架3下端穿入旋转盘2中心处的通孔连接，改线骨4中心处穿过关节支架3且与关节支架3固接，并与上关节骨1在同一平面内，肌腱固定栓6穿过通孔固定在上关节骨1上，改线骨4和旋转盘2上均设有钢丝通孔，第一斜肌10一端通过钢丝肌腱12固定在肌腱固定栓6上，另一端通过钢丝肌腱12牵引依次穿过旋转盘2上的钢丝通孔、改线骨4上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓6上，同理，第二斜肌11一端通过钢丝肌腱12固定在肌腱固定栓6上，另一端通过钢丝肌腱12牵引一次穿过旋转盘2上的钢丝通孔、改线骨4上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓6上，第一斜肌10与第二斜肌11空间上呈交叉状态。

在上述的装置中，所述的关节轴5一端设有第一可调阻尼器7，所述关节支架3下端与旋转盘2结合处设有第二可调阻尼器8，所述旋转盘2中心位置设有复位扭簧9，复位扭簧9安装在关节支架3下端。

仿生关节工作时，通过控制第一斜肌10、第二斜肌11、第一可调阻尼器7和第二可调阻尼器8，使得仿生关节呈现出不同的姿态；第二阻尼器8锁定，第一可调阻尼器7打开，当第一斜肌10充气，第二斜肌11放气，仿生关节绕关节轴5向钢丝肌腱12缩短侧转动，同理第二斜肌11充气，第一斜肌10放气，仿生关节绕关节轴5向另一侧转动；第一可调阻尼器7锁定，第二可调阻尼器8打开，当第一斜肌10充气，第二斜肌11放气，旋转盘以自身中心为轴向钢丝肌腱12缩短侧做旋转运动，同理第二斜肌11充气，第一斜肌10放气，仿生关节绕关节轴5向另侧做旋转运动；并且，调节第一可调阻尼器7和第二可调阻尼器8的阻尼系数，在第一斜肌10与第二斜肌11的联合驱动下，仿生关节既能实现绕关节轴5的转动也可实现旋转盘2绕其中心的旋转运动；同时锁定第一可调阻尼器7与第二可调阻尼器8，仿生关节则会保持当前姿态，呈现出刚性。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，凡是在不脱离本发明精神和范围的前提下对本发明所做的各种改变和改进，都不会超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.两自由度大角度运动仿生肘关节，其特征在于，包括上关节骨、旋转盘、关节支架、改线骨、关节轴、肌腱固定栓、第一可调阻尼器、第二可调阻尼器、复位扭簧、第一斜肌、第二斜肌、钢丝肌腱；所述第一斜肌、第二斜肌均为气动肌肉，关节支架上端通过关节轴铰接在上关节骨中心位置，关节支架下端穿入旋转盘中心处的通孔，改线骨中心处穿过关节支架且与关节支架固接，并与上关节骨在同一平面内，肌腱固定栓穿过通孔固定在上关节骨上，改线骨和旋转盘上均设有钢丝通孔，第一斜肌一端通过钢丝肌腱固定在肌腱固定栓上，另一端通过钢丝肌腱牵引依次穿过旋转盘上的钢丝通孔、改线骨上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓上，第二斜肌一端通过钢丝肌腱固定在肌腱固定栓上，另一端通过钢丝肌腱牵引依次穿过旋转盘上的钢丝通孔、改线骨上的钢丝通孔，固定在对侧的肌腱固定栓上，第一斜肌与第二斜肌空间上呈交叉状态。

2.根据权利要求1所述的两自由度大角度运动仿生肘关节，其特征在于，所述的关节轴一端设有第一可调阻尼器，所述关节支架下端与旋转盘结合处设有第二可调阻尼器，所述旋转盘中心位置设有复位扭簧，复位扭簧安装在关节支架下端。