CN105364941A - 两自由度气动肌肉仿生肘关节 - 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气动肌肉仿生肘关节。本发明包括上关节骨、旋转盘、关节支架、改线骨、关节轴、第一固定栓、第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌、钢丝肌腱；其中第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌均为气动肌肉，通过控制第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌实现屈/伸、旋前/旋后、屈/伸和旋前/旋后三种运动方式，并具有一定负载能力和变刚度特性；本发明在实现了对生物肘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

两自由度气动肌肉仿生肘关节

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气动肌肉仿生肘关节。

背景技术

目前各种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。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。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。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生机械臂，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，采用并联平台的形式实现屈/伸、外展/内收以及旋前/旋后的动作。但仿生肘关节的结构占空间过大，结构仿生性不高，且承载能力不强。

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，该机械手臂很难实现屈/伸以及旋前/旋后这两个自由度的同时运动，且每个自由度上的运动范围有限。

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仿生肘关节。

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、第一固定栓、第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌、钢丝肌腱；所述第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌均为气动肌肉，关节支架上端通过关节轴铰接在上关节骨中心位置，关节支架下端与旋转盘中心处的通孔连接，通孔设有轴承，旋转盘可绕中心转动，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；上关节骨上设有四个通孔，第一固定栓、第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓分别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第一固定栓上，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，固定在第一固定栓上，同理，第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌一端通过钢丝肌腱分别固定在第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓上，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，分别固定在第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓上。

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单独运动和同时运动，具有灵活、清洁和节能的优点；通过对第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌的协调控制，能够使得仿生关节实现屈/伸、旋前/旋后、屈/伸和旋前/旋后三种运动方式；同时还可以根据需要控制，使仿生肘关节在必要时，呈现出刚性特征。本发明很好的模拟了两自由度肘关节的特性，同时具有功能上的创新和扩展，值得应用。

附图说明

图1是两自由度气动肌肉仿生肘关节的初始状态图；

图2是两自由度气动肌肉仿生肘关节的运动状态图；

图中，上关节骨1、旋转盘2、关节支架3、改线骨4、关节轴5、第一固定栓6、第二固定栓7、第三固定栓8、第四固定栓9、第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13、钢丝肌腱14。

具体实施方式

如图1和图2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、第一固定栓6、第二固定栓7、第三固定栓8、第四固定栓9、第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13、钢丝肌腱14；所述第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13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下端与旋转盘2中心处的通孔连接，通孔设有轴承，旋转盘可绕中心转动，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；上关节骨1上设有四个通孔，第一固定栓6、第二固定栓7、第三固定栓8、第四固定栓9分别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14固定在第一固定栓上，另一端通过钢丝肌腱14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，固定在第一固定栓6上，同理，第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13一端通过钢丝肌腱14分别固定在第二固定栓7、第三固定栓8、第四固定栓9上，另一端通过钢丝肌腱14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，分别固定在第二固定栓7、第三固定栓8、第四固定栓9上。

仿生肘关节工作时，通过控制第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13，使得仿生关节呈现出不同的运动姿态。同时控制第一斜肌10与第四斜肌13充气，且充气气压、充气速度均相同，同时控制第二斜肌11与第三斜肌12放气，且放气速度相同时，仿生肘关节绕关节轴5向第一斜肌10、第四斜肌13的收缩侧做转动，同理，同时控制第二斜肌11与第三斜肌12充气，且充气气压、充气速度均相同，同时控制第一斜肌10与第四斜肌13放气，且放气速度相同时，仿生肘关节绕关节轴5向第二斜肌11、第三斜肌12的收缩侧做转动，仿生肘关节完成屈/伸运动；同时控制第一斜肌10与第三斜肌12充气，且充气气压、充气速度均相同，同时控制第二斜肌11与第四斜13肌放气，且放气速度相同时，仿生肘关节绕旋转盘2中心向第一斜肌10、第三斜肌12的收缩侧做转动，同理，同时控制第二斜肌11与第四斜肌13充气，且充气气压、充气速度均相同，同时控制第一斜肌10与第三斜肌12放气，且放气速度相同时，仿生肘关节绕旋转盘2向第二斜肌11、第四斜肌13的收缩侧做转动，仿生肘关节完成旋前/旋后运动；同时独立控制第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13的伸缩就能实现仿生肘关节屈/伸、旋前、旋后两个自由度的运动；同时给第一斜肌10、第二斜肌11、第三斜肌12、第四斜肌13充气且保持当前气压不变，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 (1)

1.两自由度气动肌肉仿生肘关节，其特征在于，包括上关节骨、旋转盘、关节支架、改线骨、关节轴、第一固定栓、第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌、钢丝肌腱；所述第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌均为气动肌肉，关节支架上端通过关节轴铰接在上关节骨1中心位置，关节支架下端与旋转盘中心处的通孔连接，通孔设有轴承，旋转盘可绕中心转动，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；上关节骨上设有四个通孔，第一固定栓、第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓分别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第一固定栓上，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，固定在第一固定栓上，同理，第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌一端通过钢丝肌腱分别固定在第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓上，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，分别固定在第二固定栓、第三固定栓、第四固定栓上。