CN106041892A - 柔性仿人体肩关节机构及运动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性仿人体肩关节机构及运动方法，属于仿生机器人领域。它是由固定平台、球铰Ⅰ、一级运动平台、球铰Ⅱ、二级运动平台和气动肌腱等组成。一级运动平台分别通过球铰Ⅰ和四根气动肌腱与固定平台连接形成一级并联机构，二级运动平台分别通过球铰Ⅱ和六根气动肌腱与一级运动平台连接形成二级并联机构，一级并联机构与二级并联机构形成串联结构。该机构包含两个关节运动，一是四根气动肌腱驱动一级运动平台作相对于固定平台作三自由度转动；二是六根气动肌腱驱动二级运动平台作相对于一级运动平台作三自由度转动。本发明在结构、运动和功能上接近人体的实际情况，具有较好的柔顺性，可用于多种仿人机器人肩关节设计，具有广泛的应用前景。

Description

柔性仿人体肩关节机构及运动方法
技术领域
本发明设计一种气动肌腱驱动的柔性仿人体肩关节机构及运动方法，属于仿生机器人领域。
背景技术
仿生机器人是指模仿自然界中生物的外在形状或者是某些机能的机器人系统，自1959年美国制造了第一台工业机器人，在短短的半个世纪中，机器人的研究经历了从工业机器人、遥控机器人、智能机器人到仿生机器人的四个阶段。经过数亿年的进化，人体拥有灵巧的生物结构和机敏的运动模式，所以在其结构和运动上有很大的借鉴意义。同时，在应对复杂的工作环境和要求高精度、高可靠性和强鲁棒性的工作条件方面，仿生机器人有其显著的优势。
并联机器人具有刚度大、运动精度高、承载能力强等优点。根据人体肩部结构可知，人体肩关节是由较为复杂的肌肉群驱动相应的骨骼产生运动，该结构类似于并联机构，所以将并联机构引入到仿生肩部关节机构设计当中。同时人体是由肩胛骨和肱骨的串联的形式，所以设计了一个串并联机构来从结构上较大程度地对人体肩关节进行仿生研究。
由于气动肌腱在功能上与人体肌肉较为相似，它的工作原理是肌腱橡胶管内冲入气体，肌腱产生轴向拉力，并且长度可以在轴向上产生变化。相比于传统的驱动器，气动肌腱具有结构简单、柔顺性好、清洁无污染、价格低廉、安装方便、噪声小、功率/重量比高等优点。将其用于仿人体肩关节机构的设计，能够使机构具有较强的柔顺性和负载能力等优势。
发明内容
本发明旨在设计一种具有较好柔顺性的仿人体肩关节机构及运动方法，能够从人体的机构上进行仿生设计，并且具有较好的驱动性能，紧凑的结构等。
一种柔性仿人体肩关节机构，其特征在于：它包括固定平台、一级运动平台、二级运动平台；上述一级运动平台通过球铰Ⅰ与固定平台连接，球铰Ⅰ外圈与固定平台固连，球铰Ⅰ杆端与一级运动平台固连；球铰Ⅰ四周还分布四根一级气动肌腱；四根一级气动肌腱在空间上绕球铰Ⅰ杆端轴线呈中心对称；其中一级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构与一级运动平台连接；四根一级气动肌腱与一级运动平台的四个连接点在同一个平面，并且在正方形的四个顶点，球铰Ⅰ杆端轴线与四个连接点所在平面垂直且过正方形对角线交点；其中一级气动肌腱的第二端通过三自由度关节结构与一调节块连接，调节块通过螺钉锁紧于固定平台的调节槽内；上述四段调节槽沿顺时针依次称为第一、第二、第三、第四段调节槽，其中第一、第四段滑槽位于同一直线上，第二、第三段滑槽位于同一直线上，并且四段滑槽均位于同一平面，且均相互平行；上述二级运动平台通过螺纹连接固定于支撑杆件上，支撑杆件通过球铰Ⅱ与上述一级运动平台连接；球铰Ⅱ外圈与一级运动平台的固定部件Ⅱ固连，球铰Ⅱ杆端与支撑杆件上的W形固定部件固定；上述支撑杆件四周还分布四根二级气动肌腱；四根二级气动肌腱在空间上绕支撑杆件呈中心对称； 上述二级气动肌腱的两端通过三自由度关节结构分别与二级运动平台及一级运动平台相连；四根二级气动肌腱与一级运动平台的连接点在一个正方形的四个顶点，与二级运动平台的四个连接点也在一个正方形的四个顶点；该关节机构还包括另外两根二级气动肌腱，它们对称分布于支撑杆件两侧；这两根二级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构分别与W形固定部件的两个末端连接；它们的第二端通过三自由度关节结构与一级运动平台连接。
所述的柔性仿人体肩关节的运动方法，其特征在于包括以下过程：安装于固定平台和一级运动平台之间的四根一级气动肌腱驱动一级运动平台相对于固定平台产生三自由度转动，一级运动平台同步带动固定于其上的部件做相同的转动；安装于W形固定部件和一级运动平台之间的两根二级气动肌腱，同安装于固定部件Ⅱ和二级运动平台之间的四根二级气动肌腱共同驱动二级运动平台产生相对于一级运动平台的三自由度转动；上述连接固定平台和一级运动平台的四根一级气动肌腱相对于固定平台的固定位置可以通过改变调节块在调节槽中的位置进行调整；二级运动平台与支撑杆件通过螺纹连接，所以二级运动平台绕着支撑杆件转动即可调整二级运动平台与一级运动平台之间的距离；通过位置的调整，柔性仿人体肩关节可以获得不同的运动特性和力学特性。
所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ杆端与一级运动平台的连接方式为球铰Ⅰ杆端外螺纹与一级运动平台上的螺纹孔相配合。
所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ外圈与固定平台的连接方式为球铰Ⅰ外圈通过四根均匀分布的螺钉锁紧于固定平台之上。
所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述三自由度关节结构为钢丝绳固定结构。
所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述杆件与球铰Ⅱ的连接方式为球铰Ⅱ杆端螺纹与支撑杆件（6）的外螺纹通过带有内螺纹的W形固定部件相配合。
所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述W形固定部件与支撑杆件连接方式为螺纹连接固连。
附图说明
图1——本发明柔性仿人体肩关节机构的正二测视图；
图2——本发明柔性仿人体肩关节机构的右视图；
图3——本发明柔性仿人体肩关节机构的俯视图；
图4——本发明柔性仿人体肩关节机构的二级并联机构后视图。
图中标号名称：1——固定平台；2——球铰Ⅰ；3——一级运动平台；4——球铰Ⅱ；5——二级运动平台；6——支撑杆件；7——气动肌腱Ⅲ；8——调节块；9——固定部件Ⅰ；10——气动肌腱Ⅰ；11——气动肌腱Ⅳ；12——W形固定部件； 13——气动肌腱Ⅱ；14——固定部件Ⅱ；15——固定部件Ⅲ；16——固定部件Ⅳ。
具体实施方式
如图1所示，固定平台1通过球铰Ⅰ2与一级运动平台3相连，球铰Ⅰ2的外圈通过四根螺钉与固定平台固连，球铰Ⅰ的杆端通过外螺纹与一级运动平台3上的螺孔相配合。四根气动肌腱分布在球铰Ⅰ2的四周，每根气动肌腱两端分别通过钢丝绳固定结构与固定平台和一级运动平台连接，气动肌腱一端与固定平台上的调节块8相连，另一端与一级运动平台上的固定部件Ⅰ9相连。其中，调节块8在固定平台的调节槽中，通过螺钉固定；固定部件Ⅰ9通过螺栓与一级运动平台2固定。
一级并联机构中的四根气动肌腱通过钢丝绳结构与一级运动平台相连，四个固定点在同一个平面，并且是在正方形的四个顶点，球铰Ⅰ2杆端轴线与四个固定点所在平面垂直且过正方形对角线交点。并且这四根气动肌腱与固定平台的四个固定点在同一个平面，气动肌腱Ⅰ10、气动肌腱Ⅱ14、气动肌腱Ⅲ7、气动肌腱Ⅳ11固定在调节块8上，同时调节块8通过螺钉依次的固定在相应的调节槽中，四段调节槽沿顺时针依次称为第一、第二、第三、第四段调节槽，其中第一、第四段滑槽位于同一直线上，第二、第三段滑槽位于同一直线上，并且四段滑槽均位于同一平面，且均相互平行。一级并联机构的四根气动肌腱在空间上绕球铰Ⅰ2杆端轴线呈中心对称，驱动一级运动平台使其具有三个转动自由度。
通过螺钉依次将一级运动平台3、固定部件Ⅲ15、固定部件Ⅱ14和球铰Ⅱ4的外圈固定相连，并且球铰Ⅱ4的杆端、W形固定部件12、支撑杆件6、二级运动平台5通过螺纹配合依次固定相连。
W形固定部件12两边分别固定着两根二级气动肌腱，这两根二级气动肌腱的另一端分别与固定部件Ⅳ16相连，并且两根气动肌腱在初始状态下关于一级运动平台3对称。连接二级运动平台和固定部件Ⅱ14的四根二级气动肌腱分别均匀地分布在支撑杆件6的四周，四根气动肌腱与一级运动平台3相连的固定点在一个正方形的四个顶点，与二级运动平台5相连的四个固定点也在一个正方形的四个顶点。六根气动肌腱共同作用，使二级并联机构具有三个转动自由度。
与一级并联机构的四根气动肌腱相连的调节块8相对于固定平台1的位置可以沿着固定平台1上的调节槽进行调整；二级运动平台5与一级运动平台3之间的距离可以通过螺纹进行调整。根据固定位置的不同，可以使柔性仿人体肩关节拥有不同的运动特性和力学特性。

Claims (7)

1.一种柔性仿人体肩关节机构，其特征在于：
它包括固定平台（1）、一级运动平台（3）、二级运动平台（5）；
上述一级运动平台（3）通过球铰Ⅰ（2）与固定平台（1）连接，球铰Ⅰ（2）外圈与固定平台（1）固连，球铰Ⅰ（2）杆端与一级运动平台（3）固连；球铰Ⅰ（2）四周还分布四根一级气动肌腱；四根一级气动肌腱在空间上绕球铰Ⅰ（2）杆端轴线呈中心对称；
其中一级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构与一级运动平台（3）连接；四根一级气动肌腱与一级运动平台（3）的四个连接点在同一个平面，并且在正方形的四个顶点，球铰Ⅰ（2）杆端轴线与四个连接点所在平面垂直且过正方形对角线交点；其中一级气动肌腱的第二端通过三自由度关节结构与一调节块（8）连接，调节块（8）通过螺钉锁紧于固定平台（1）的调节槽内；上述四段调节槽沿顺时针依次称为第一、第二、第三、第四段调节槽，其中第一、第四段滑槽位于同一直线上，第二、第三段滑槽位于同一直线上，并且四段滑槽均位于同一平面，且均相互平行；
上述二级运动平台（5）通过螺纹连接固定于支撑杆件（6）上，支撑杆件（6）通过球铰Ⅱ（4）与上述一级运动平台（3）连接；球铰Ⅱ（4）外圈与一级运动平台（3）的固定部件Ⅱ（14）固连，球铰Ⅱ（4）杆端与支撑杆件（6）上的W形固定部件（12）固定；
上述支撑杆件（6）四周还分布四根二级气动肌腱；四根二级气动肌腱在空间上绕支撑杆件（6）呈中心对称； 上述二级气动肌腱的两端通过三自由度关节结构分别与二级运动平台（5）及一级运动平台（3）相连；四根二级气动肌腱与一级运动平台的连接点在一个正方形的四个顶点，与二级运动平台（5）的四个连接点也在一个正方形的四个顶点；
该关节机构还包括另外两根二级气动肌腱，在初始状态下，它们对称分布于一级运动平台（3）的两侧，并且分别与支撑杆件（6）形成角度；两根二级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构分别与W形固定部件（12）的两个末端连接；它们的第二端通过三自由度关节结构与一级运动平台（3）上的固定部件Ⅳ（16）连接。
2.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ（2）杆端与一级运动平台（3）的连接方式为球铰Ⅰ（2）杆端外螺纹与一级运动平台上的螺纹孔相配合。
3.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ（2）外圈与固定平台的连接方式为球铰Ⅰ（2）外圈通过四根均匀分布的螺钉锁紧于固定平台之上。
4.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述三自由度关节结构为钢丝绳固定结构。
5.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述杆件与球铰Ⅱ（4）的连接方式为球铰Ⅱ（4）杆端螺纹与支撑杆件（6）的外螺纹通过带有内螺纹的W形固定部件（12）相配合。
6.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述W形固定部件（12）与支撑杆件（6）连接方式为螺纹连接固连。
7.根据权利要求1所述的柔性仿人体肩关节的运动方法，其特征在于包括以下过程：
安装于固定平台（1）和一级运动平台（3）之间的四根一级气动肌腱驱动一级运动平台相对于固定平台产生三自由度转动，一级运动平台（1）同步带动固定于其上的部件做相同的转动；
安装于W形固定部件（12）和一级运动平台（3）之间的两根二级气动肌腱，同安装于固定部件Ⅱ（14）和二级运动平台之间的四根二级气动肌腱共同驱动二级运动平台产生相对于一级运动平台的三自由度转动；
上述连接固定平台（1）和一级运动平台（3）的四根一级气动肌腱相对于固定平台（1）的固定位置可以通过改变调节块在调节槽中的位置进行调整；二级运动平台（5）与支撑杆件（6）通过螺纹连接，所以二级运动平台（5）绕着支撑杆件（6）转动即可调整二级运动平台（5）与一级运动平台（3）之间的距离；通过位置的调整，柔性仿人体肩关节可以获得不同的运动特性和力学特性。
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