CN106166747B - 人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节 - Google Patents

Abstract

人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，属于机器人部件技术领域。它包括底座及前立板组、中立板组及后立板，前立板组上设有主关节滑轮组、中立板组上设有第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组，第一肌群牵引线一端设置在主关节滑轮组上，另一端设置在第一副关节滑轮组上，第二肌群牵引线一端设置在主关节滑轮组上，另一端设置在第二副关节滑轮组上，主关节滑轮组的主关节轴端部连接主关节运动臂。本发明采用不同的人工肌肉致动器单元进行实验，根据SMA弹簧的电热驱动特性，通过控制SMA弹簧组中的每根SMA弹簧的电流通断来驱动与其相连的副关节驱动轮组，进而带动主关节驱动轮组转过一定的角度，实现关节控制，避免了各SMA弹簧间的干涉问题。

Description

人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节

技术领域

本发明属于机器人部件技术领域，具体涉及一种人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节。

背景技术

机器人关节是影响机器人动静态特性的重要部件。对于大多数工业机器人来讲，变形的主要来源是关节变形，由此带来一系列问题：1）严重影响了机器人的定位精度和轨迹精度；2）CNC 机床相比，机器人在铣削和去毛刺过程中可以发现严重的低频颤振现象；3）关节柔性的引入增加了控制的难度；4）存在内部零件刚度不一致导致的刚度非线性等。针对上述问题，Bittencourt、Erkaya、蔡鹤皋、余跃庆、何广平和Rigatos等国内外学者分别从关节摩擦、关节间隙、关节刚度辨识、柔性关节控制、关节阻抗控制等角度展开研究，对提高机器人关节运动精度、抖动抑制等具有明显的促进作用，但由于这些研究主要围绕电机驱动的关节构造模式展开，不能从根本上消除上述问题，因此，解决该问题成为一项重要研究课题之一。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，包括底座及依次从左到右间隔设置在底座上的前立板组、中立板组及后立板，其特征在于所述前立板组上设有主关节滑轮组、中立板组上设有第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组，第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组两端固定在中立板上，第一肌群牵引线一端设置在主关节滑轮组上，另一端设置在第一副关节滑轮组上，第二肌群牵引线一端设置在主关节滑轮组上，另一端设置在第二副关节滑轮组上，主关节滑轮组的主关节轴端部连接主关节运动臂，第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组结构相同，相互上下平行设置在中立板组上，第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组均由人工肌肉致动器单元、人工韧带单元、线性储能单元组合而成。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于主关节滑轮组包括主关节顺时针驱动输入轮、主关节逆时针驱动输入轮及主关节驱动输出轮，主关节顺时针驱动输入轮、主关节逆时针驱动输入轮分别通过顺时针轴承、逆时针轴承与主关节轴连接，主关节驱动输出轮直接固定连接在主关节轴上，主关节轴两端分别通过主关节右轴承、主关节左轴承连接到对称设置的第一前立板和第二前立板上，通过相应的肌群牵引线驱动输入轮和输出轮。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于所述主关节驱动输出轮两侧分别设有第一凹槽、第一凹槽凸缘及第二凹槽、第二凹槽凸缘；主关节顺时针驱动输入轮和主关节逆时针驱动输入轮结构尺寸相同，主关节顺时针驱动输入轮一侧设有第一凸台和第一凸台凸缘，主关节逆时针驱动输入轮一侧设有第二凸台和第二凸台凸缘，每个凸台凸缘与凹槽凸缘对应配合，主关节顺时针驱动输入轮与主关节驱动输出轮间形成间歇传动，主关节顺时针驱动输入轮上设有第一卡槽，主关节逆时针驱动输入轮上设有第二卡槽，第一卡槽、第二卡槽与第一肌群牵引线、第二肌群牵引线对应匹配，卡槽用于引导和约束对应的肌群牵引线。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于第一副关节滑轮组和第二副关节滑轮组结构相同，第一副关节滑轮组包括副关节轴、第一副关节驱动输入轮、第二副关节驱动输入轮、第三副关节驱动输入轮、副关节驱动输出轮及与关节驱动输入轮对应配合的第一轴上锁紧推块、第二轴上锁紧推块及第三轴上锁紧推块，第一副关节驱动输入轮、第二副关节驱动输入轮、第三副关节驱动输入轮分别通过第一输入轮轴承、第二输入轮轴承及第三输入轮轴承安装在副关节轴上，轴上锁紧推块及副关节驱动输出轮通过过赢配合锁紧设置在副关节轴上，每个副关节驱动输入轮与后立板之间设有人工肌群。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于所述人工肌群包括线性储能单元及人工韧带单元Ⅰ，人工韧带单元Ⅰ一端设置在副关节驱动输入轮上，另一端依次连接人工肌肉致动器单元Ⅰ、人工韧带单元Ⅱ及人工肌肉致动器单元Ⅱ的一端，人工肌肉致动器单元Ⅱ的另一端固定在后立板上；副关节轴通过第一副关节轴承和第二副关节轴承安装在第一中立板、第二中立板上，通过对人工韧带单元的选择驱动拉动关节驱动输入轮，继而推动轴上锁紧推块和副关节驱动输出轮，以实现人工韧带单元驱动副关节驱动输出轮的选择性并联输出。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于人工肌肉致动器单元为具有线性致动单元，选自SMA丝、SMA弹簧、气动人工肌肉、介电弹性体致动器中的任意一种。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于人工韧带单元为尼龙绳。

所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于底座上位于人工肌群一侧装有散热风扇，以帮助人工肌肉致动器单元的冷却恢复。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明采用不同的人工肌肉致动器单元进行实验，以SMA弹簧为例，由于SMA弹簧只有收缩和松弛状态两种状态，收缩状态时，刚度大，松弛状态时，刚度小；根据SMA弹簧的电热驱动特性，通过控制SMA弹簧组中的每根SMA弹簧的电流通断来驱动与其相连的副关节驱动轮组，进而带动主关节驱动轮组转过一定的角度，实现关节控制，避免了各SMA弹簧间的干涉问题；

2）本发明通过在主关节输入轮上设置凸台及凸台凸缘，在主关节驱动输出轮上设置与凸台及凸台凸缘对应匹配的凹槽及凹槽凸缘，工作时主关节顺时针驱动输入轮和主关节逆时针驱动输入轮分别与主关节驱动输出轮配合工作，使主关节顺时针驱动输入轮与主关节逆时针驱动输入轮间形成间歇传动，即在一定角度范围内，主关节顺时针驱动输入轮驱动主关节驱动输出轮转动时对主关节逆时针驱动输入轮无影响；

3）本发明的副关节驱动轮组主要用于实现SMA弹簧的并联输出，采用上下两组组成，每个副关节滑轮组包括副关节轴、副关节驱动输入轮、副关节驱动输入轮、副关节驱动输入轮、副关节驱动输出轮及与关节驱动输入轮对应配合的第一轴上锁紧推块、第一轴上锁紧推块及第一轴上锁紧推块，副关节驱动输入轮、副关节驱动输入轮、副关节驱动输入轮分别通过第一输入轮轴承、第二输入轮轴承及第三输入轮轴承安装在副关节轴上，轴上锁紧推块及副关节驱动输出轮通过过赢配合锁紧设置在副关节轴上，每个副关节驱动输入轮与后立板之间设有人工肌群，由于轴上锁紧推块与副关节驱动输入轮间形成了间歇传动，故在一定角度范围内能实现无干涉的选择性并联输出，因此通过上下两组副关节驱动轮组的多种选择性输入，可实现主关节驱动轮组的顺时针、逆时针方向多种输出。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的关节滑轮组分体结构示意图；

图3为本发明的主关节滑轮组结构示意图；

图4为本发明的主关节滑轮组另一结构示意图；

图5为本发明的副关节滑轮组结构示意图。

图中：0-人工肌群，011-人工肌肉致动器单元Ⅰ，0110-人工韧带单元Ⅰ，0112-人工韧带单元Ⅱ，012-人工肌肉致动器单元Ⅱ，03-线性储能单元，1-第一副关节滑轮组，10-副关节轴，111-第一轴上锁紧推块，112-第二轴上锁紧推块，113-第三轴上锁紧推块，121-第一副关节驱动输入轮，122-第二副关节驱动输入轮，123-第三副关节驱动输入轮，124-副关节驱动输出轮，131-第一副关节轴承，132-第二副关节轴承，133-第三输入轮轴承，134-第二输入轮轴承，135-第一输入轮轴承，2-第二副关节滑轮组，3-主关节滑轮组，30-主关节轴，301-第一肌群牵引线，302-第二肌群牵引线，31-主关节顺时针驱动输入轮，311-第一卡槽，312-第一凸台凸缘，313-第一凸台，32-主关节逆时针驱动输入轮，321-第二卡槽，322-第二凸台凸缘，323-第二凸台，33-主关节驱动输出轮，331-第一凹槽，332-第一凹槽凸缘，333-第二凹槽，334-第二凹槽凸缘，34-主关节右轴承，35-主关节左轴承，36-逆时针轴承，37-顺时针轴承，38-主关节运动臂，41-第一前立板，42-第二前立板，51-第一中立板，52-第二中立板，6-后立板，7-底座，8-脚码。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-5所示，本发明的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，包括底座7及通过脚码8依次从左到右间隔设置在底座7上的前立板组、中立板组及后立板6，前立板组由对称的第一前立板41和第二前立板42构成，中立板组由由对称的第一中立板51和第二中立板52构成，后立板6设置于底座7的右端端头，且后立板6与底座7横向截面平行，所述第一前立板41、第二前立板42之间设有主关节滑轮组3，第一中立板51、第二中立板52之间设有第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2，第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2另一端固定在后立板6上，第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2另一端固定在后立板6上，第一肌群牵引线301一端设置在主关节滑轮组3上，另一端设置在第一副关节滑轮组1上，第二肌群牵引线302一端设置在主关节滑轮组3上，另一端设置在第二副关节滑轮组2上，主关节滑轮组3的主关节轴30端部连接主关节运动臂38，第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2结构相同，相互上下平行设置在中立板组上，第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2均由人工肌肉致动器单元、人工韧带单元、线性储能单元组合而成。

如图2、图3及图4所示，本发明的主关节滑轮组3包括主关节顺时针驱动输入轮31、主关节逆时针驱动输入轮32及主关节驱动输出轮33，主关节顺时针驱动输入轮31、主关节逆时针驱动输入轮32分别通过顺时针轴承37、逆时针轴承36与主关节轴30连接，主关节驱动输出轮33直接固定连接在主关节轴上30上，主关节轴30两端分别通过主关节右轴承34、主关节左轴承35连接到对称设置的第一前立板41和第二前立板42上，通过相应的肌群牵引线驱动输入轮和输出轮；

主关节驱动输出轮33两侧分别设有第一凹槽331及第二凹槽333，其中第一凹槽331上设有第一凹槽凸缘332，第二凹槽333上设有第二凹槽凸缘334；主关节顺时针驱动输入轮31和主关节逆时针驱动输入轮32结构尺寸相同，主关节顺时针驱动输入轮31一侧设有第一凸台313和第一凸台凸缘312，主关节逆时针驱动输入轮32一侧设有第二凸台323和第二凸台凸缘322，每个凸台凸缘与凹槽凸缘对应配合，主关节顺时针驱动输入轮31与主关节驱动输出轮33间形成间歇传动，主关节顺时针驱动输入轮31上设有第一卡槽311，主关节逆时针驱动输入轮32上设有第二卡槽321，第一卡槽311、第二卡槽321与第一肌群牵引线301、第二肌群牵引线302对应匹配，卡槽用于引导和约束对应的肌群牵引线。

如图2和图5所示，本发明的第一副关节滑轮组1和第二副关节滑轮组2结构相同，均用于实现人工肌肉致动器单元的并联输出，人工肌肉致动器单元为具有线性致动单元，选自SMA丝、SMA弹簧、气动人工肌肉、介电弹性体致动器中的任意一种，本发明实施例中选用SMA弹簧，第一副关节滑轮组1包括副关节轴10、第一副关节驱动输入轮121、第二副关节驱动输入轮122、第三副关节驱动输入轮123、副关节驱动输出轮124及与关节驱动输入轮对应配合的第一轴上锁紧推块111、第一轴上锁紧推块112及第三轴上锁紧推块113，第一副关节驱动输入轮121、第二副关节驱动输入轮122、第三副关节驱动输入轮123分别通过第一输入轮轴承135、第二输入轮轴承134及第三输入轮轴承133安装在副关节轴10上，轴上锁紧推块及副关节驱动输出轮124通过过赢配合锁紧设置在副关节轴10上，每个副关节驱动输入轮与后立板6之间设有结构及连接关系相同的人工肌群0。

如图1所示，所述人工肌群0包括线性储能单元03及人工韧带单元Ⅰ0110，人工韧带单元Ⅰ0110一端设置在副关节驱动输入轮上，另一端依次连接人工肌肉致动器单元Ⅰ011、人工韧带单元Ⅱ0112及人工肌肉致动器单元Ⅱ012的一端，人工肌肉致动器单元Ⅱ012的另一端固定在后立板6上；副关节轴10通过第一副关节轴承131和第二副关节轴承132安装在第一中立板51、第二中立板52上，通过对人工韧带单元的选择驱动拉动关节驱动输入轮，继而推动轴上锁紧推块和副关节驱动输出轮124，以实现人工韧带单元驱动副关节驱动输出轮124的选择性并联输出，本发明实施例中的人工韧带单元选用尼龙绳，人工肌群0由若干个线性储能单元串并联而成，本发明专利采用SMA弹簧为线性储能单元，每个SMA弹簧独立驱动，通过串联在电流为2-2.5A的电路中，利用焦耳热激活，并在电路中串联继电器，实现对电路的开关控制

底座7上位于人工肌群一侧装有散热风扇，以帮助人工肌肉致动器单元的冷却恢复。

实施例：

本发明采用SMA弹簧为人工肌肉致动器单元，由于SMA弹簧只有收缩和松弛状态两种状态，收缩状态时，刚度大，松弛状态时，刚度小；根据SMA弹簧的电热驱动特性，通过控制SMA弹簧组中的每根SMA弹簧的电流通断来驱动与其相连的辅关节驱动轮组，进而带动主关节驱动轮组转过一定的角度，实现关节控制，本发明的人工肌群为串并联结构，该实施例中，采用12根SMA弹簧组成，6组并联且每组串联2根的方式排布，两个副关节滑轮组各分布3组人工肌肉，SMA弹簧之间采用人工韧带单元连接，作为特例，采用尼龙绳作为人工韧带。

如图所示，本发明实施例的工作过程如下：通过由SMA弹簧、支架、滑轮组、肌群牵引线以及人工韧带等共同组成的对拉机构，将SMA弹簧拉伸至原长的1.5倍长度，此时SMA弹簧处于松弛状态；通电加热后，SMA弹簧收缩到原长，此时处于收缩状态，SMA从松弛状态通电加热后转变到收缩状态，由原来的被拉长收缩到初始长度，长度变短，牵引外部负载做功，通过滑轮组机构，线性收缩运动转化为机器人关节旋转运动，电热能转化成机械能。

主关节运动臂38与主关节轴固定连接，能向顺时针和逆时针两个方向转动。当连接第一副关节滑轮组1的SMA弹簧组收缩、第二副关节滑轮组2的SMA弹簧保持不变时，第一副关节滑轮组1的副关节轴10顺时针方向转动，通过第一肌群牵引线301驱动主关节轴30沿顺时针方向转动；反之，当连接第二副关节滑轮组2的SMA弹簧组收缩、第一副关节滑轮组21的SMA弹簧保持不变时，第二副关节滑轮组2的副关节轴10顺时针方向转动，通过第二肌群牵引线302驱动主关节轴30沿逆时针方向转动，连接第一副关节滑轮组1的SMA弹簧收缩，驱动主关节运动臂38顺时针时，连接第二副关节滑轮组12的SMA弹簧及连接件不会对关节运动产生阻力，反之亦然；

本发明通过对SMA弹簧的选择驱动，拉动对应的第一副关节驱动输入轮121、第二副关节驱动输入轮122或第三副关节驱动输入轮123，继而推动与该关节驱动输入轮对应配合的第一轴上锁紧推块111、第一轴上锁紧推块112或第三轴上锁紧推块113中的一个及副关节驱动输出轮124，以实现SMA弹簧驱动副关节驱动输出轮124的选择性并联输出，由于本发明的轴上锁紧推块与SMA弹簧驱动输入轮间形成了间歇传动，故在一定角度范围内能实现无干涉的选择性并联输出。

本发明通过上下两组副关节驱动轮组的多种选择性输入，可实现主关节驱动轮组的顺时针、逆时针方向多种输出。

Claims (8)

1.人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，包括底座（7）及依次从左到右间隔设置在底座（7）上的前立板组、中立板组及后立板（6），其特征在于所述前立板组上设有主关节滑轮组（3）、中立板组上设有第一副关节滑轮组（1）和第二副关节滑轮组（2），第一副关节滑轮组（ 1 ）和第二副关节滑轮组（ 2 ）两端固定在中立板（ 5 ）上，第一肌群牵引线（301）一端设置在主关节滑轮组（3）上，另一端设置在第一副关节滑轮组（1）上，第二肌群牵引线（302）一端设置在主关节滑轮组（3）上，另一端设置在第二副关节滑轮组（2）上，主关节滑轮组（3）的主关节轴（30）端部连接主关节运动臂（38），第一副关节滑轮组（1）和第二副关节滑轮组（2）结构相同，相互上下平行设置在中立板组上，第一副关节滑轮组（1）和第二副关节滑轮组（2）均由人工肌肉致动器单元、人工韧带单元、线性储能单元组合而成。

2.根据权利要求1所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于主关节滑轮组（3）包括主关节顺时针驱动输入轮（31）、主关节逆时针驱动输入轮（32）及主关节驱动输出轮（33），主关节顺时针驱动输入轮（31）、主关节逆时针驱动输入轮（32）分别通过顺时针轴承（37）、逆时针轴承（36）与主关节轴（30）连接，主关节驱动输出轮（33）直接固定连接在主关节轴上（30）上，主关节轴（30）两端分别通过主关节右轴承（34）、主关节左轴承（35）连接到对称设置的第一前立板（41）和第二前立板（42）上，通过相应的肌群牵引线驱动输入轮和输出轮。

3.根据权利要求2所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于所述主关节驱动输出轮（33）两侧分别设有第一凹槽（331）、第一凹槽凸缘（332）及第二凹槽（333）、第二凹槽凸缘（334）；主关节顺时针驱动输入轮（31）和主关节逆时针驱动输入轮（32）结构尺寸相同，主关节顺时针驱动输入轮（31）一侧设有第一凸台（313）和第一凸台凸缘（312），主关节逆时针驱动输入轮（32）一侧设有第二凸台（323）和第二凸台凸缘（322），每个凸台凸缘与凹槽凸缘对应配合，主关节顺时针驱动输入轮（31）与主关节驱动输出轮（33）间形成间歇传动，主关节顺时针驱动输入轮（31）上设有第一卡槽（311），主关节逆时针驱动输入轮（32）上设有第二卡槽（321），第一卡槽（311）、第二卡槽（321）与第一肌群牵引线（301）、第二肌群牵引线（302）对应匹配，卡槽用于引导和约束对应的肌群牵引线。

4.根据权利要求1所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于第一副关节滑轮组（1）和第二副关节滑轮组（2）结构相同，第一副关节滑轮组（1）包括副关节轴（10）、第一副关节驱动输入轮（121）、第二副关节驱动输入轮（122）、第三副关节驱动输入轮（123）、副关节驱动输出轮（124）及与关节驱动输入轮对应配合的第一轴上锁紧推块（111）、第二轴上锁紧推块（112）及第三轴上锁紧推块（113），第一副关节驱动输入轮（121）、第二副关节驱动输入轮（122）、第三副关节驱动输入轮（123）分别通过第一输入轮轴承（135）、第二输入轮轴承（134）及第三输入轮轴承（133）安装在副关节轴（10）上，轴上锁紧推块及副关节驱动输出轮（124）通过过赢配合锁紧设置在副关节轴（10）上，每个副关节驱动输入轮与后立板（6）之间设有人工肌群（0）。

5.根据权利要求4所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于所述人工肌群（0）包括线性储能单元（03）及人工韧带单元Ⅰ（0110），人工韧带单元Ⅰ（0110）一端设置在副关节驱动输入轮上，另一端依次连接人工肌肉致动器单元Ⅰ（011）、人工韧带单元Ⅱ（0112）及人工肌肉致动器单元Ⅱ（012）的一端，人工肌肉致动器单元Ⅱ（012）的另一端固定在后立板（6）上；副关节轴（10）通过第一副关节轴承（131）和第二副关节轴承（132）安装在第一中立板（51）、第二中立板（52）上，通过对人工韧带单元的选择驱动拉动关节驱动输入轮，继而推动轴上锁紧推块和副关节驱动输出轮（124），以实现人工韧带单元驱动副关节驱动输出轮（124）的选择性并联输出。

6.根据权利要求5所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于人工肌肉致动器单元为具有线性致动单元，选自SMA丝、SMA弹簧、气动人工肌肉、介电弹性体致动器中的任意一种。

7.根据权利要求5所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于人工韧带单元为尼龙绳。

8.根据权利要求5-7任一所述的人工肌肉驱动且结构解耦的机器人关节，其特征在于底座（7）上位于人工肌群一侧装有散热风扇，以帮助人工肌肉致动器单元的冷却恢复。