CN108000551B - 一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统 - Google Patents

一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于气动肌肉的仿人胸‑背关节系统，以气动肌肉模拟人胸‑背部的肌肉驱动肩关节和胸背部关节的运动，具有完全模拟人的肩关节和胸‑背关节运动的功能。所述的仿人胸‑背关节系统主要由肋骨、椎骨、肩胛骨、肱骨、冈下肌、肩胛下肌、胸大肌、骨盆、大圆肌、背阔肌、胸腰筋膜组成。肋骨、椎骨、肩胛骨、肱骨构成人体骨骼的基本支架，模拟冈下肌、肩胛下肌、胸大肌、骨盆、大圆肌、背阔肌、胸腰筋膜的气动肌肉驱动肩关节和胸‑背关节的屈伸、收展和环转运动。本发明专利以气动肌肉驱动，具有结构紧凑、清洁、防爆性能好的特点，可用于教学演示、医疗诊断、外骨骼康复模拟训练。

Description

一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统。
背景技术
人的胸-背部主要由肋骨、椎骨以及错综复杂的肌肉构成，在生产生活中由于机器设计的问题、劳动强度的问题等会导致胸背关节的拉伤、疾病甚至偏瘫，因此有必要对人的肩关节和胸-背部关节进行研究，同时气动肌肉与人的肌肉具有类似的特性，因此可以以气动肌肉模拟人的肌肉分布进行研究，然而国内外鲜有这方面的研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统，该系统结构紧凑，可形象地模拟人肩关节和胸-背关节可以实现的各种动作，为在生产生活中由于机器设计的问题、劳动强度的问题等会导致胸背关节的拉伤、疾病甚至偏瘫提供诊断或者机器设计提供科学依据。具体技术方案如下：
一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统，其特征在于，该系统包括胸-背骨骼部分左肩关节部分和右肩关节部分；
所述的胸背骨骼部分包括椎骨一17、椎骨二2、椎骨三13、椎骨四14、椎骨五15、椎骨六16、椎骨七25、椎骨八26、椎骨九18、椎骨十23、椎骨十一24、肋骨一1、肋骨二10、肋骨三12、肋骨四11、肋骨五19、肋骨六20、肋骨七22、肋骨八21和骨盆27；
所述的椎骨一17、椎骨二2、椎骨三13、椎骨四14、椎骨五15、椎骨六16、椎骨七25、椎骨八26依次可转动连接，组成后端；所述的椎骨九18、椎骨十23、椎骨十一24依次可转动连接，组成前端；所述的椎骨八26的下端与所述的骨盆27可转动连接；
所述的肋骨一1和肋骨五19的两端均分别与所述的椎骨一17、椎骨九18固定连接；所述的肋骨二10和肋骨六20的两端均分别与所述的椎骨二2、椎骨十23固定连接；所述的肋骨三12和肋骨七22的两端均分别与所述的椎骨三13、椎骨十一24固定连接；所述的肋骨四11和肋骨八21的一端均与所述的椎骨四14固定连接，另一端悬空设置；
所述的左肩关节部分包括肩胛骨3、肱骨4、冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌一7、胸大肌二8、胸大肌三9、大圆肌28、背阔肌29、胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31；
所述的肩胛骨3与所述的肋骨二10固定连接，所述的肱骨4与所述的肩胛骨3的一端可转动连接，所述的冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌二8的两端均分别与所述的肱骨4、所述的肋骨二10可转动连接，所述的胸大肌一7、胸大肌三9的两端均分别与所述的肱骨4、所述的肋骨三12可转动连接；所述的大圆肌28的两端均分别与所述的肱骨4、肋骨三12可转动连接；所述的背阔肌29的两端均分别与所述的肱骨4、肋骨四11可转动连接；所述的胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31的两端均分别与所述的肱骨4、骨盆27可转动连接；
所述的右肩关节部分和左肩关节部分对称布置，且其结构和组成与左肩关节部分相同；
所述的冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌一7、胸大肌二8、胸大肌三9、大圆肌28、背阔肌29、胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31均为气动肌肉，通过气动阀控制所述的气动肌肉内的气压，实现对所述的肩关节和胸-背关节运动的控制。
进一步地，所述的肩胛骨3通过U型固定件32与所述的肋骨二10固定连接。
进一步地，所述的骨骼的材质均为铝合金。
进一步地，所述的肱骨4为长方体结构，所述的肋骨的上下表面均为平面，所述的冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌二8的两端均分别与所述的肱骨4的上表面、所述的肋骨二10的上表面可转动连接；所述的胸大肌一7、胸大肌三9的两端均分别与所述的肱骨4的上表面、所述的肋骨三12的上表面可转动连接；所述的大圆肌28的两端均分别与所述的肱骨4的内侧面、肋骨三12的上表面可转动连接；所述的背阔肌29的两端均分别与所述的肱骨4的外侧面、肋骨四11的上表面可转动连接；所述的胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31的两端均分别与所述的肱骨4的外侧面、骨盆27可转动连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明利用气动肌肉可以较好的模拟人的胸-背部的冈下肌、肩胛下肌、胸大肌、骨盆、大圆肌、背阔肌、胸腰筋膜驱动关节的运动；
2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；
3.本发明胸-背关节、肩关节均具有3个自由度，可以形象地模拟人肩关节和胸-背关节可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体胸-背部每根肌肉在肩关节和胸-背关节运动中的作用。
附图说明
图1是仿人胸-背关节总体机械结构示意图；
图2是仿人胸-背关节部分肌肉连接肱骨前面机械结构示意图；
图3是仿人胸-背关节其他肌肉连接机械结构示意图；
图中，肋骨一1、椎骨二2、肩胛骨3、肱骨4、冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌一7、胸大肌二8、胸大肌三9、肋骨二10、肋骨四11、肋骨三12、椎骨三13、椎骨四14、椎骨五15、椎骨六16、椎骨一17、椎骨九18、肋骨五19、肋骨六20、肋骨八21、肋骨七22、椎骨十23、椎骨十一24、椎骨七25、椎骨八26、骨盆27、大圆肌28、背阔肌29、胸腰筋膜一30、胸腰筋膜二31、U型固定件32。
具体实施方式
如图1-3所示，一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统，包括胸-背骨骼部分和左肩关节部分、右肩关节部分；
胸背骨骼部分包括肋骨一1、椎骨二2、肋骨二10、肋骨三12、肋骨四11、椎骨三13、椎骨四14、椎骨五15、椎骨六16、椎骨一17、椎骨九18、肋骨五19、肋骨六20、肋骨八21、肋骨七22、椎骨十23、椎骨十一24、椎骨七25、椎骨八26和骨盆27；
椎骨一17、椎骨二2、椎骨三13、椎骨四14、椎骨五15、椎骨六16、椎骨七25、椎骨八26依次可转动连接，组成后端；椎骨九18、椎骨十23、椎骨十一24依次可转动连接，组成前端；椎骨八26的下端与骨盆27可转动连接；
肋骨一1和肋骨五19的两端均分别与椎骨一17、椎骨九18固定连接；肋骨二10和肋骨六20的两端均分别与椎骨二2、椎骨十23固定连接；肋骨三12和肋骨七22的两端均分别与椎骨三13、椎骨十一24固定连接；肋骨四11和肋骨八21的一端均与椎骨四14固定连接，另一端悬空设置；
左肩关节部分包括肩胛骨3、肱骨4、冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌一7、胸大肌二8、胸大肌三9、大圆肌28、背阔肌29、胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31；
肩胛骨3通过U型固定件32与肋骨二10固定连接，肱骨4与肩胛骨3的一端可转动连接，冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌二8的两端均分别与肱骨4的上表面、肋骨二10的上表面可转动连接；
为了方便打孔和机械连接，将肱骨4设定为长方体结构，所述的肋骨4的上下表面均为平面；
胸大肌一7、胸大肌三9的两端均分别与肱骨4的上表面、肋骨三12的上表面可转动连接；大圆肌28的两端均分别与肱骨4的内侧面、肋骨三12的上表面可转动连接；背阔肌29的两端均分别与肱骨4的外侧面、肋骨四11的上表面可转动连接；胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31的两端均分别与肱骨4的外侧面、骨盆27可转动连接；
右肩关节部分和左肩关节部分对称布置，且其结构和组成与左肩关节部分相同；
冈下肌5、肩胛下肌6、胸大肌一7、胸大肌二8、胸大肌三9、大圆肌28、背阔肌29、胸腰筋膜一30和胸腰筋膜二31均为气动肌肉，通过气动阀控制所述的气动肌肉内的气压，实现对所述的肩关节和胸-背关节系统的屈伸、收展和环转运动的控制。
考虑到加工强度，以及零件的固定等因素，上述的骨骼的材质均为铝合金。
本发明，通过控制各模拟肩-背部人体肌肉的气动肌肉，实现仿人肩关节和胸-背关节位姿的控制，可以动态形象的模拟人肩关节和胸-背关节的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉仿人胸-背关节无法比拟的优势。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于气动肌肉的仿人胸-背关节系统，其特征在于，该系统包括胸-背骨骼部分、左肩关节部分和右肩关节部分；
所述的胸-背骨骼部分包括椎骨一（17）、椎骨二（2）、椎骨三（13）、椎骨四（14）、椎骨五（15）、椎骨六（16）、椎骨七（25）、椎骨八（26）、椎骨九（18）、椎骨十（23）、椎骨十一（24）、肋骨一（1）、肋骨二（10）、肋骨三（12）、肋骨四（11）、肋骨五（19）、肋骨六（20）、肋骨七（22）、肋骨八（21）和骨盆（27）；
所述的椎骨一（17）、椎骨二（2）、椎骨三（13）、椎骨四（14）、椎骨五（15）、椎骨六（16）、椎骨七（25）、椎骨八（26）依次可转动连接，组成后端；所述的椎骨九（18）、椎骨十（23）、椎骨十一（24）依次可转动连接，组成前端；所述的椎骨八（26）的下端与所述的骨盆（27）可转动连接；
所述的肋骨一（1）和肋骨五（19）的两端均分别与所述的椎骨一（17）、椎骨九（18）固定连接；所述的肋骨二（10）和肋骨六（20）的两端均分别与所述的椎骨二（2）、椎骨十（23）固定连接；所述的肋骨三（12）和肋骨七（22）的两端均分别与所述的椎骨三（13）、椎骨十一（24）固定连接；所述的肋骨四（11）和肋骨八（21）的一端均与所述的椎骨四（14）固定连接，另一端悬空设置；
所述的左肩关节部分包括肩胛骨（3）、肱骨（4）、冈下肌（5）、肩胛下肌（6）、胸大肌一（7）、胸大肌二（8）、胸大肌三（9）、大圆肌（28）、背阔肌（29）、胸腰筋膜一（30）和胸腰筋膜二（31）；
所述的肩胛骨（3）与所述的肋骨二（10）固定连接，所述的肱骨（4）与所述的肩胛骨（3）的一端可转动连接，所述的冈下肌（5）、肩胛下肌（6）、胸大肌二（8）的两端均分别与所述的肱骨（4）、所述的肋骨二（10）可转动连接，所述的胸大肌一（7）、胸大肌三（9）的两端均分别与所述的肱骨（4）、所述的肋骨三（12）可转动连接；所述的大圆肌（28）的两端均分别与所述的肱骨（4）、肋骨三（12）可转动连接；所述的背阔肌（29）的两端均分别与所述的肱骨（4）、肋骨四（11）可转动连接；所述的胸腰筋膜一（30）和胸腰筋膜二（31）的两端均分别与所述的肱骨（4）、骨盆（27）可转动连接；
所述的右肩关节部分和左肩关节部分对称布置，且其结构和组成与左肩关节部分相同；
所述的冈下肌（5）、肩胛下肌（6）、胸大肌一（7）、胸大肌二（8）、胸大肌三（9）、大圆肌（28）、背阔肌（29）、胸腰筋膜一（30）和胸腰筋膜二（31）均为气动肌肉，通过气动阀控制所述的气动肌肉内的气压，实现对肩关节部分和胸-背关节骨骼部分运动的控制；
所述的肩胛骨（3）通过U型固定件（32）与所述的肋骨二（10）固定连接；
骨骼的材质均为铝合金；
所述的肱骨（4）为长方体结构，所述的肋骨的上下表面均为平面，所述的冈下肌（5）、肩胛下肌（6）、胸大肌二（8）的两端均分别与所述的肱骨（4）的上表面、所述的肋骨二（10）的上表面可转动连接；所述的胸大肌一（7）、胸大肌三（9）的两端均分别与所述的肱骨（4）的上表面、所述的肋骨三（12）的上表面可转动连接；所述的大圆肌（28）的两端均分别与所述的肱骨（4）的内侧面、肋骨三（12）的上表面可转动连接；所述的背阔肌（29）的两端均分别与所述的肱骨（4）的外侧面、肋骨四（11）的上表面可转动连接；所述的胸腰筋膜一（30）和胸腰筋膜二（31）的两端均分别与所述的肱骨（4）的外侧面、骨盆（27）可转动连接。
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