CN108335602A - 一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，以气动肌肉模拟人的肌肉和薄壁气缸一起驱动肋骨和椎骨的运动，具有完全模拟人的腰关节运动的功能。所述的仿人腰关节主要由骨盆、肋骨、椎骨、薄壁气缸、骨盆、以及气动肌肉等，模拟背阔肌、腹外斜肌、腹直肌、竖脊肌等作用的气动肌肉和薄壁气缸驱动肋骨和椎骨关节绕垂直轴、矢状轴、冠状轴的旋转和三个方向的直线运动。本发明专利以气动肌肉和薄壁气缸驱动，具有结构紧凑、自由度多、防爆性能好的特点，可用于医疗诊断、教学演示、展会展览等。

Description

一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统。

背景技术

人的腰关节由来自骨盆错综复杂的肌肉驱动，针对现代人常见的各种脊椎疾病，如果能够清楚各肌肉和骨骼在关节中的作用，可以更好的用于人机工程中机器的设计和疾病的诊断。气动肌肉作为一种压缩空气驱动，具有与人类肌肉特性类似的元器件，可用于设计类似人的腰关节。中国专利201710485504.0提出一种基于气动肌肉的仿人腰关节系统，但是未考虑椎骨具有多个方向轻微的直线移动以及肋骨间肌肉对腰关节的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，本发明结构紧凑，多自由度，干净防爆等优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，该腰关节系统包括肋骨一、前面椎骨一、薄壁气缸一、肋骨二、前面椎骨二、肋骨三、薄壁气缸二、前面椎骨三、后面椎骨一、肋骨四、薄壁气缸三、后面椎骨二、肋骨五、薄壁气缸四、后面椎骨三、肋骨六、薄壁气缸五、后面椎骨四、薄壁气缸六、后面椎骨五、骨盆、背阔肌一、腹外斜肌一、腹直肌一、腹直肌二、竖脊肌一、背阔肌二、腹外斜肌二、竖脊肌二、背阔肌三、腹外斜肌三、竖脊肌三、腹直肌三、竖脊肌四、腹外斜肌四、背阔肌四、腹直肌四、背阔肌五、腹外斜肌五、竖脊肌五、腹直肌五、腹直肌六、竖脊肌六、背阔肌六、腹外斜肌六、竖脊肌七、竖脊肌八、腹直肌七、腹直肌八、竖脊肌九、竖脊肌十、腹直肌九、腹直肌十、竖脊肌十一、腹直肌十一、竖脊肌十二、腹直肌十二；

肋骨一的两端与肋骨四的两端分别通过前面椎骨一、后面椎骨一固定连接，肋骨二的两端与肋骨五的两端分别通过前面椎骨二、后面椎骨二固定连接，肋骨三、肋骨六的两端分别通过前面椎骨三、后面椎骨三固定连接；

后面椎骨一的下端与薄壁气缸三的上端可转动连接，薄壁气缸三的下端与后面椎骨二的上端固定连接，后面椎骨二的下端与薄壁气缸四的上端可转动连接，薄壁气缸四的下端与后面椎骨三的上端固定连接，后面椎骨三的下端与薄壁气缸五的上端可转动连接，薄壁气缸五的下端与后面椎骨四的上端固定连接，后面椎骨四的下端与薄壁气缸六的上端可转动连接，薄壁气缸六的下端、后面椎骨五、骨盆依次固定连接；

前面椎骨一的下端与薄壁气缸一的上端可转动连接，薄壁气缸一的下端与前面椎骨二的上端固定连接，前面椎骨二的下端与薄壁气缸二的上端可转动连接，薄壁气缸二的下端与前面椎骨三的上端固定连接；背阔肌一、腹外斜肌一、腹直肌一、竖脊肌二的两端均分别与肋骨三、骨盆可转动连接，腹直肌二、竖脊肌一、背阔肌二、腹外斜肌二的两端均分别与肋骨六、骨盆可转动连接；背阔肌三、腹外斜肌三、竖脊肌三、腹直肌三的两端均分别与肋骨二、骨盆可转动连接，竖脊肌四、腹外斜肌四、背阔肌四、腹直肌四的两端均分别与肋骨五、骨盆可转动连接；背阔肌五、腹外斜肌五、竖脊肌五、腹直肌五的两端均分别与肋骨一、骨盆可转动连接，腹直肌六、竖脊肌六、背阔肌六、腹外斜肌六的两端均分别与肋骨四、骨盆可转动连接；竖脊肌七、竖脊肌八、腹直肌七、腹直肌八的两端均分别与肋骨二、肋骨三可转动连接，竖脊肌九、竖脊肌十、腹直肌九、腹直肌十的两端均分别与肋骨五、肋骨六可转动连接；竖脊肌十一、腹直肌十一的两端均分别与肋骨一、肋骨二可转动连接，竖脊肌十二、腹直肌十二的两端均分别与肋骨四、肋骨五可转动连接；

上述所有肌肉均为气动肌肉，且所有的气动肌肉的和骨头的连接位置均仿照人体结构布置。

优选地，所述的可转动连接为铰接。

优选地，所述的固定连接为螺纹连接。

优选地，所述的肋骨由铝合金制成。

优选地，所述的骨盆由铝合金或钢通过d打印制成。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根气动肌肉和薄壁气缸驱动关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

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.本发明采用气动肌肉模拟骨盆到肋骨肌肉、肋骨间肌肉，椎骨间采用薄壁气缸连接，可以形象地模拟人腰关节和椎骨实现三个方向的旋转和三个方向的直线运动，有助于了解人体结构和人体腰关节每根肌肉在腰关节运动中的作用。

附图说明

图1是仿人腰关节整体结构示意图；

图2是仿人腰关节骨骼整体结构示意图；

图3是骨盆与第一层肋骨结构示意图；

图4是骨盆与第二层肋骨结构示意图；

图5是骨盆与第三层肋骨结构示意图；

图6是第一层肋骨与第二层肋骨结构示意图；

图7是第二层肋骨与第三层肋骨结构示意图；

图中：肋骨一1、前面椎骨一2、薄壁气缸一3、肋骨二4、前面椎骨二5、肋骨三6、薄壁气缸二7、前面椎骨三8、后面椎骨一9、肋骨四10、薄壁气缸三11、后面椎骨二12、肋骨五13、薄壁气缸四14、后面椎骨三15、肋骨六16、薄壁气缸五17、后面椎骨四18、薄壁气缸六19、后面椎骨五20、骨盆21、背阔肌一22、腹外斜肌一23、腹直肌一24、腹直肌二25、竖脊肌一26、背阔肌二27、腹外斜肌二28、竖脊肌二29、背阔肌三30、腹外斜肌三31、竖脊肌三32、腹直肌三33、竖脊肌四34、腹外斜肌四35、背阔肌四36、腹直肌四37、背阔肌五38、腹外斜肌五39、竖脊肌五40、腹直肌五41、腹直肌六42、竖脊肌六43、背阔肌六44、腹外斜肌六45、竖脊肌七46、竖脊肌八47、腹直肌七48、腹直肌八49、竖脊肌九50、竖脊肌十51、腹直肌九52、腹直肌十53、竖脊肌十一54、腹直肌十一55、竖脊肌十二56、腹直肌十二57。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统包括：肋骨一1、前面椎骨一2、薄壁气缸一3、肋骨二4、前面椎骨二5、肋骨三6、薄壁气缸二7、前面椎骨三8、后面椎骨一9、肋骨四10、薄壁气缸三11、后面椎骨二12、肋骨五13、薄壁气缸四14、后面椎骨三15、肋骨六16、薄壁气缸五17、后面椎骨四18、薄壁气缸六19、后面椎骨五20、骨盆21、背阔肌一22、腹外斜肌一23、腹直肌一24、腹直肌二25、竖脊肌一26、背阔肌二27、腹外斜肌二28、竖脊肌二29、背阔肌三30、腹外斜肌三31、竖脊肌三32、腹直肌三33、竖脊肌四34、腹外斜肌四35、背阔肌四36、腹直肌四37、背阔肌五38、腹外斜肌五39、竖脊肌五40、腹直肌五41、腹直肌六42、竖脊肌六43、背阔肌六44、腹外斜肌六45、竖脊肌七46、竖脊肌八47、腹直肌七48、腹直肌八49、竖脊肌九50、竖脊肌十51、腹直肌九52、腹直肌十53、竖脊肌十一54、腹直肌十一55、竖脊肌十二56、腹直肌十二57。

肋骨一1的两端与肋骨四10的两端分别通过前面椎骨一2、后面椎骨一9固定连接，肋骨二4的两端与肋骨五13的两端分别通过前面椎骨二5、后面椎骨二12固定连接，肋骨三6、肋骨六16的两端分别通过前面椎骨三8、后面椎骨三15固定连接；

后面椎骨一9的下端与薄壁气缸三11的上端可转动连接，薄壁气缸三11的下端与后面椎骨二12的上端固定连接，后面椎骨二12的下端与薄壁气缸四14的上端可转动连接，薄壁气缸四14的下端与后面椎骨三15的上端固定连接，后面椎骨三15的下端与薄壁气缸五17的上端可转动连接，薄壁气缸五17的下端与后面椎骨四18的上端固定连接，后面椎骨四18的下端与薄壁气缸六19的上端可转动连接，薄壁气缸六19的下端、后面椎骨五20、骨盆21依次固定连接；

前面椎骨一2的下端与薄壁气缸一3的上端可转动连接，薄壁气缸一3的下端与前面椎骨二5的上端固定连接，前面椎骨二5的下端与薄壁气缸二7的上端可转动连接，薄壁气缸二7的下端与前面椎骨三8的上端固定连接；背阔肌一22、腹外斜肌一23、腹直肌一24、竖脊肌二29的两端均分别与肋骨三6、骨盆21可转动连接，腹直肌二25、竖脊肌一26、背阔肌二27、腹外斜肌二28的两端均分别与肋骨六16、骨盆21可转动连接；背阔肌三30、腹外斜肌三31、竖脊肌三32、腹直肌三33的两端均分别与肋骨二4、骨盆21可转动连接，竖脊肌四34、腹外斜肌四35、背阔肌四36、腹直肌四37的两端均分别与肋骨五13、骨盆21可转动连接；背阔肌五38、腹外斜肌五39、竖脊肌五40、腹直肌五41的两端均分别与肋骨一1、骨盆21可转动连接，腹直肌六42、竖脊肌六43、背阔肌六44、腹外斜肌六45的两端均分别与肋骨四10、骨盆21可转动连接；竖脊肌七46、竖脊肌八47、腹直肌七48、腹直肌八49的两端均分别与肋骨二4、肋骨三6可转动连接，竖脊肌九50、竖脊肌十51、腹直肌九52、腹直肌十53的两端均分别与肋骨五13、肋骨六16可转动连接；竖脊肌十一54、腹直肌十一55的两端均分别与肋骨一1、肋骨二4可转动连接，竖脊肌十二56、腹直肌十二57的两端均分别与肋骨四10、肋骨五13可转动连接；

上述所有肌肉均为气动肌肉，且所有的气动肌肉的和骨头的连接位置均仿照人体结构布置。

薄壁气缸五17、薄壁气缸六19、背阔肌一22、腹外斜肌一23、腹直肌一24、腹直肌二25、竖脊肌一26、背阔肌二27、腹外斜肌二28、竖脊肌二29一起驱动肋骨一1、前面椎骨一2、薄壁气缸一3、肋骨二4、前面椎骨二5、肋骨三6、薄壁气缸二7、前面椎骨三8、后面椎骨一9、肋骨四10、薄壁气缸三11、后面椎骨二12、肋骨五13、薄壁气缸四14、后面椎骨三15、肋骨六16屈伸、收展、环转和三个方向的移动。

薄壁气缸二7、薄壁气缸四14、薄壁气缸五17、薄壁气缸六19、背阔肌三30、腹外斜肌三31、竖脊肌三32、腹直肌三33、竖脊肌四34、腹外斜肌四35、背阔肌四36、腹直肌四37、竖脊肌七46、竖脊肌八47、腹直肌七48、腹直肌八49、竖脊肌九50、竖脊肌十51、腹直肌九52、腹直肌十53一起驱动肋骨一1、前面椎骨一2、薄壁气缸一3、肋骨二4、前面椎骨二5、后面椎骨一9、肋骨四10、薄壁气缸三11、后面椎骨二12、肋骨五13屈伸、收展、环转和三个方向的移动。

薄壁气缸一3、薄壁气缸二7、薄壁气缸三11、薄壁气缸四14、薄壁气缸五17、薄壁气缸六19、背阔肌五38、腹外斜肌五39、竖脊肌五40、腹直肌五41、腹直肌六42、竖脊肌六43、背阔肌六44、腹外斜肌六45、竖脊肌十一54、腹直肌十一55、竖脊肌十二56、腹直肌十二57一起驱动肋骨一1、前面椎骨一2、后面椎骨一9、肋骨四10屈伸、收展、环转和三个方向的移动。

气动肌肉与气缸相结合可以模拟其他椎关节。

优选地，所有的可转动连接为铰接；

优选地，所有的固定连接为螺纹连接。

优选地，所述的肋骨由铝合金制成。

优选地，所述的骨盆21由铝合金或钢通过3d打印制成。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，该腰关节系统包括肋骨一(1)、前面椎骨一(2)、薄壁气缸一(3)、肋骨二(4)、前面椎骨二(5)、肋骨三(6)、薄壁气缸二(7)、前面椎骨三(8)、后面椎骨一(9)、肋骨四(10)、薄壁气缸三(11)、后面椎骨二(12)、肋骨五(13)、薄壁气缸四(14)、后面椎骨三(15)、肋骨六(16)、薄壁气缸五(17)、后面椎骨四(18)、薄壁气缸六(19)、后面椎骨五(20)、骨盆(21)、背阔肌一(22)、腹外斜肌一(23)、腹直肌一(24)、腹直肌二(25)、竖脊肌一(26)、背阔肌二(27)、腹外斜肌二(28)、竖脊肌二(29)、背阔肌三(30)、腹外斜肌三(31)、竖脊肌三(32)、腹直肌三(33)、竖脊肌四(34)、腹外斜肌四(35)、背阔肌四(36)、腹直肌四(37)、背阔肌五(38)、腹外斜肌五(39)、竖脊肌五(40)、腹直肌五(41)、腹直肌六(42)、竖脊肌六(43)、背阔肌六(44)、腹外斜肌六(45)、竖脊肌七(46)、竖脊肌八(47)、腹直肌七(48)、腹直肌八(49)、竖脊肌九(50)、竖脊肌十(51)、腹直肌九(52)、腹直肌十(53)、竖脊肌十一(54)、腹直肌十一(55)、竖脊肌十二(56)、腹直肌十二(57)。

肋骨一(1)的两端与肋骨四(10)的两端分别通过前面椎骨一(2)、后面椎骨一(9)固定连接，肋骨二(4)的两端与肋骨五(13)的两端分别通过前面椎骨二(5)、后面椎骨二(12)固定连接，肋骨三(6)、肋骨六(16)的两端分别通过前面椎骨三(8)、后面椎骨三(15)固定连接。

后面椎骨一(9)的下端与薄壁气缸三(11)的上端可转动连接，薄壁气缸三(11)的下端与后面椎骨二(12)的上端固定连接，后面椎骨二(12)的下端与薄壁气缸四(14)的上端可转动连接，薄壁气缸四(14)的下端与后面椎骨三(15)的上端固定连接，后面椎骨三(15)的下端与薄壁气缸五(17)的上端可转动连接，薄壁气缸五(17)的下端与后面椎骨四(18)的上端固定连接，后面椎骨四(18)的下端与薄壁气缸六(19)的上端可转动连接，薄壁气缸六(19)的下端、后面椎骨五(20)、骨盆(21)依次固定连接。

前面椎骨一(2)的下端与薄壁气缸一(3)的上端可转动连接，薄壁气缸一(3)的下端与前面椎骨二(5)的上端固定连接，前面椎骨二(5)的下端与薄壁气缸二(7)的上端可转动连接，薄壁气缸二(7)的下端与前面椎骨三(8)的上端固定连接；背阔肌一(22)、腹外斜肌一(23)、腹直肌一(24)、竖脊肌二(29)的两端均分别与肋骨三(6)、骨盆(21)可转动连接，腹直肌二(25)、竖脊肌一(26)、背阔肌二(27)、腹外斜肌二(28)的两端均分别与肋骨六(16)、骨盆(21)可转动连接；背阔肌三(30)、腹外斜肌三(31)、竖脊肌三(32)、腹直肌三(33)的两端均分别与肋骨二(4)、骨盆(21)可转动连接，竖脊肌四(34)、腹外斜肌四(35)、背阔肌四(36)、腹直肌四(37)的两端均分别与肋骨五(13)、骨盆(21)可转动连接；背阔肌五(38)、腹外斜肌五(39)、竖脊肌五(40)、腹直肌五(41)的两端均分别与肋骨一(1)、骨盆(21)可转动连接，腹直肌六(42)、竖脊肌六(43)、背阔肌六(44)、腹外斜肌六(45)的两端均分别与肋骨四(10)、骨盆(21)可转动连接；竖脊肌七(46)、竖脊肌八(47)、腹直肌七(48)、腹直肌八(49)的两端均分别与肋骨二(4)、肋骨三(6)可转动连接，竖脊肌九(50)、竖脊肌十(51)、腹直肌九(52)、腹直肌十(53)的两端均分别与肋骨五(13)、肋骨六(16)可转动连接；竖脊肌十一(54)、腹直肌十一(55)的两端均分别与肋骨一(1)、肋骨二(4)可转动连接，竖脊肌十二(56)、腹直肌十二(57)的两端均分别与肋骨四(10)、肋骨五(13)可转动连接。

上述所有肌肉均为气动肌肉，且所有的气动肌肉的和骨头的连接位置均仿照人体结构布置。

2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，所述的可转动连接为铰接。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，所述的固定连接为螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，所述的肋骨由铝合金制成。

5.根据权利要求2所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人腰关节系统，其特征在于，所述的骨盆(21)由铝合金或钢通过3d打印制成。