CN108356848A - 气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节 - Google Patents

气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，包括由两个气动人工肌肉和半齿轮构成的气动人工肌肉驱动机构、由伺服电机和安装在所述伺服电机输出轴上的主动伞齿轮构成的伺服电机驱动机构，以及由回转轴、与主动伞齿轮啮合的从动伞齿轮、与半齿轮啮合的圆形齿轮和关节连接轴构成的回转机构，气动人工肌肉和伺服电机分别通过主动伞齿轮与从动伞齿轮之间以及半齿轮与圆形齿轮之间的啮合传动将驱动力同时传输到回转轴，从而通过关节连接轴输出相应的动作；该将气动人工肌肉材料轻质、载荷大、柔性好等优势与伺服电机的精度高、动作响应快等优势进行融合，实现在驱动的过程中二者以相互补偿的方式做出精确的柔顺控制。

Description

气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节。
背景技术
关节是决定康复和穿戴等机器人性能的核心部件之一。研究轻质、灵巧、具有更高人机相融性的机器人关节结构，有助于开发实用化的康复和穿戴等机器人产品。目前，多数机器人关节采用高刚性的电机作为驱动元件，这种驱动方式响应快，定位精度高，承载能力强。此外还有一部分机器人关节以气动人工肌肉作为驱动元件，这种驱动方式柔顺性好，功率/重量比大，动作平滑；但是，以电机作为驱动元件在实现机器人高功率密度比和整体响应性能、以及具有与人相匹配的柔顺性等方面受到限制，而以气动人工肌肉作为驱动元件只能通过压力控制，不能根据驱动要求来调节驱动特性，存在典型的非线性，难以实现精确地控制。
已公开专利CN105644650A公开了一种由哈尔滨工业大学研制的气电混合驱动的柔性双足机器人；已公开专利CN104786219A公开了一种由浙江理工大学研制的360度多自由度仿人气动肌肉机械手；此外，上海交通大学的陈剑锋等设计了一种混合驱动式多关节双机械臂；西北工业大学的应申舜等设计了一种基于气动人工肌肉的机器人驱动关节；上述研究成果都是以气动人工肌肉作为驱动单元，然而以气动人工肌肉或电机作为关节的单一驱动元件，很难实现较高精度下的柔顺控制。综上所述，有必要针对单一驱动元件驱动关节在保证精度下柔顺性等方面存在的不足，提出了以一种气动人工肌肉和电机混合驱动的单关节形式，达到提高仿生机器人驱动关节性能的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过改变传统仿生机器人驱动关节的单一驱动方式，将刚性驱动与气动人工肌肉这种典型柔性驱动相结合以提高关节性能的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节。
为此，本发明技术方案如下：
一种气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，包括设置在一架体上的气动人工肌肉驱动机构、伺服电机驱动机构和回转机构；其中，
所述架体包括安装支架和两个对称设置在所述安装支架两侧的L形连接架；
所述气动人工肌肉驱动机构包括两个平行设置的气动人工肌肉和一个半齿轮；两个所述气动人工肌肉平行于所述安装支架且分别位于两个所述L形连接架的上方，每个所述气动人工肌肉的伸缩端固定在所述L形连接架的竖板上、充放气端固定在所述安装支架的竖板上；所述半齿轮位于所述安装支架的下方且平行于所述安装支架设置，每个所述L形连接架分别通过一根竖轴与所述半齿轮连接固定，使所述L形连接架能够带动所述半齿轮发生转动；
所述伺服电机驱动机构包括一个伺服电机和一个主动伞齿轮；所述伺服电机固定在邻近所述气动人工肌肉伸缩端处的安装支架上，且所述伺服电机的输出轴平行于所述气动人工肌肉设置；所述主动伞齿轮安装在所述伺服电机的输出轴上；
所述回转机构包括回转轴、与所述主动伞齿轮啮合的从动伞齿轮以及与所述半齿轮啮合的圆形齿轮；所述从动伞齿轮和所述圆形齿轮分别固定在所述回转轴的两端。
进一步地，在每个所述L形连接架的竖板以及用于固定所述气动人工肌肉的安装支架的竖板上均开设有一个径向通孔，使每个所述气动人工肌肉的充放气端插装在所述安装支架竖板上的径向通孔内并通过穿装在所述充放气端的且位于所述安装支架竖板两侧的内螺母和外螺母固定在所述安装支架的竖板上；所述气动人工肌肉的伸缩端插装在所述L形连接架竖板上的径向通孔内并通过穿装在所述伸缩端的且位于所述L形连接架竖板两侧的内螺母和外螺母固定在所述L形连接架上。
进一步地，所述回转机构还包括关节连接轴；所述关节连接轴两端设有内径与所述回转轴外径相适应的弧形凹槽，使所述关节连接轴的端部能够可拆卸设置在所述回转轴的侧壁上。
该气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节将气动人工肌肉与伺服电机两种驱动方式的结合，使气动人工肌肉的材料轻质、载荷大、柔性好等优势与伺服电机的精度高、动作响应快等优势进行融合，实现在驱动的过程中二者以相互补偿的方式做出精确的柔顺控制，同时具有承载能力大、驱动精度高、动作平滑性好等仿生优势。
附图说明
图1为本发明的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的结构示意图；
图2为本发明的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的气动人工肌肉驱动机构与回转机构的圆形齿轮的结构示意图；
图3为本发明的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的伺服电机驱动机构与回转机构的从动伞齿轮的结构示意图；
图4为本发明的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的安装支架的结构示意图；
图5为本发明的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的L形连接架的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，包括设置在一架体上的气动人工肌肉驱动机构、伺服电机驱动机构和回转机构；其中，
如图4～5所示，架体包括安装支架8和两个L形连接架3；具体地，安装支架8由一块水平设置的三角形底板和分别自三角形底板的三个顶角处边缘沿轴向向上延伸形成的三块竖板构成；L形连接架3由一体成型的横板和竖板构成，且两个L形连接架3对称设置在其中一块竖板的两侧，且两个L形连接架3的竖板分别与安装支架8的另外两块竖板的相对设置，使L形连接架3与安装支架8之间形成有两个用于设置气动人工肌肉的凹槽；
如图2所示，气动人工肌肉驱动机构包括两个平行设置的气动人工肌肉1和一个半齿轮2；具体地，两个气动人工肌肉1平行于安装支架8且分别位于两个L形连接架3的上方，使每个气动人工肌肉1的伸缩端固定在L形连接架3的竖板上、而充放气端则固定在对侧的安装支架8的竖板上；半齿轮2位于安装支架8的下方且平行于安装支架8的底板设置，在每个L形连接架3和半齿轮2之间均设置有一根竖轴，通过将竖轴两端分别与L形连接架3的横板和半齿轮2固定，使半齿轮2能够在气动人工肌肉1的伸长和缩短的过程中，随L形连接架3的转动而发生正向或反向转动；
其中，在每个L形连接架3的竖板以及用于固定气动人工肌肉1的安装支架8的竖板上均开设有一个径向通孔，使每个气动人工肌肉3的充放气端插装在安装支架8竖板上的径向通孔内并通过穿装在充放气端的且位于安装支架8竖板两侧的内螺母和外螺母固定在安装支架8的竖板上；气动人工肌肉3的伸缩端插装在L形连接架3竖板上的径向通孔内并通过穿装在伸缩端的且位于L形连接架3竖板两侧的内螺母和外螺母固定在L形连接架3上；
如图3所示，伺服电机驱动机构包括一个伺服电机5和一个主动伞齿轮4；具体地，伺服电机5设置在位于气动人工肌肉1伸缩端邻近处的安装支架8的竖板上并通过沿轴向均布在竖板上的螺钉固定于竖板上；伺服电机5的输出轴平行于气动人工肌肉1设置，其输出轴穿出安装支架8的竖板，使主动伞齿轮4自外侧安装在伺服电机5的输出轴上；伺服电机5用于控制主动伞齿轮4的转动；
如图1～3所示，回转机构包括回转轴6、与主动伞齿轮4啮合的从动伞齿轮9、与半齿轮2啮合的圆形齿轮7和关节连接轴10；具体地，从动伞齿轮9和圆形齿轮7分别固定在回转轴6的两端；关节连接轴10两端设有内径与回转轴6外径相适应的弧形凹槽，使关节连接轴10的端部能够可拆卸设置在回转轴6的侧壁上。
在该气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节的结构中，气动人工肌肉驱动机构为关节主要驱动力输出，伺服电机驱动机构作为辅助驱动部分，承担辅助驱动力。当气动人工肌肉驱动机构动作时，如图1所示，位于右侧的气动人工肌肉充气伸长，位于左侧的气动人工肌肉放气收缩，这样左侧气动人工肌肉提供的轴向拉力和右端气动人工肌肉提供的轴向推力共同通过L形连接架3驱动半齿轮2发生顺时针转动，进而半齿轮2作用于与之啮合的圆形齿轮7，带动回转轴6发生旋转并通过关节连接轴6将运动动作输出；于此同时，伺服电机承担辅助驱动力可以根据需要实时介入补偿气动人工肌肉驱动机构的驱动力，具体来说，伺服电机5作为辅助驱动机构直接通过伺服电机的输出轴带动主动伞齿轮4旋转，旋转的主动伞齿轮4作用于与之啮合的从动伞齿轮9，进而带动回转轴6发生与气动人工肌肉驱动机构驱动方向一致的方向旋转。
同理，当该气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节需要做出反方向转动时，则控制左侧气动人工肌肉放气收缩，右侧的气动人工肌肉充气伸长，辅助调整伺服电机的输出轴的转动方向实现变向。

Claims (3)

1.一种气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，其特征在于，包括设置在一架体上的气动人工肌肉驱动机构、伺服电机驱动机构和回转机构；其中，
所述架体包括安装支架(8)和两个对称设置在所述安装支架(8)两侧的L形连接架(3)；
所述气动人工肌肉驱动机构包括两个平行设置的气动人工肌肉(1)和一个半齿轮(2)；两个所述气动人工肌肉(1)平行于所述安装支架(8)且分别位于两个所述L形连接架(3)的上方，每个所述气动人工肌肉(1)的伸缩端固定在所述L形连接架(3)的竖板上、充放气端固定在所述安装支架(8)的竖板上；所述半齿轮(2)位于所述安装支架(8)的下方且平行于所述安装支架(8)设置，每个所述L形连接架(3)分别通过一根竖轴与所述半齿轮(2)连接固定，使所述L形连接架(3)能够带动所述半齿轮(2)发生转动；
所述伺服电机驱动机构包括一个伺服电机(5)和一个主动伞齿轮(4)；所述伺服电机(5)固定在邻近所述气动人工肌肉(1)伸缩端处的安装支架(8)上，且所述伺服电机(5)的输出轴平行于所述气动人工肌肉(1)设置；所述主动伞齿轮(4)安装在所述伺服电机(5)的输出轴上；
所述回转机构包括回转轴(6)、与所述主动伞齿轮(4)啮合的从动伞齿轮(9)以及与所述半齿轮(2)啮合的圆形齿轮(7)；所述从动伞齿轮(9)和所述圆形齿轮(7)分别固定在所述回转轴(6)的两端。
2.根据权利要求1所述的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，其特征在于，在每个所述L形连接架(3)的竖板以及用于固定所述气动人工肌肉(1)的安装支架(8)的竖板上均开设有一个径向通孔，使每个所述气动人工肌肉(3)的充放气端插装在所述安装支架(8)竖板上的径向通孔内并通过穿装在所述充放气端的且位于所述安装支架(8)竖板两侧的内螺母和外螺母固定在所述安装支架(8)的竖板上；所述气动人工肌肉(3)的伸缩端插装在所述L形连接架(3)竖板上的径向通孔内并通过穿装在所述伸缩端的且位于所述L形连接架(3)竖板两侧的内螺母和外螺母固定在所述L形连接架(3)上。
3.根据权利要求1所述的气动人工肌肉与伺服电机混合驱动关节，其特征在于，所述回转机构还包括关节连接轴(10)；所述关节连接轴(10)两端设有内径与所述回转轴(6)外径相适应的弧形凹槽，使所述关节连接轴(10)的端部能够可拆卸设置在所述回转轴(6)的侧壁上。
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