CN108406763A - 一种基于气动肌肉的仿人颈椎系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气动肌肉的仿人颈椎系统，以气动肌肉模拟人颈椎的肌肉驱动脖子、头的运动，该系统包括多根肋骨、多块椎骨、头骨、多根颈长肌、头长肌、头夹肌、头半棘肌、头后大直肌、头下斜肌、头后小直肌、回旋肌、颈多裂肌、颈夹肌、斜角肌以及气动肌肉连接板。其中颈长肌、头长肌、头夹肌、头半棘肌、头后大直肌、头下斜肌、头后小直肌等肌肉两端分别与气动肌肉连接板、头骨连接，驱动脖子和头的屈伸、收展和环转运动；回旋肌、颈多裂肌、颈夹肌、斜角肌、头长肌、回旋肌两端分别与肋骨、气动肌肉连接板连接驱动脖子、胸的屈伸、收展和环转运动。本系统以气动肌肉驱动，结构紧凑、清洁、防爆性能好，可用于教学、演示、医疗诊断等领域。

Description

一种基于气动肌肉的仿人颈椎系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及基于气动肌肉的仿人颈椎系统。

背景技术

人的颈椎由具有较强的承压、减震、弯曲的能力，同时随着人们长时间一个姿势的工作，比如长久的对着电脑工作，导致颈椎部位的疾病，因此有必要了解颈椎部位的结构和组成，为减少疾病和加强这方面的体育锻炼提供科学依据。为了模拟人类颈椎的，以及实现昂头、低头、左右侧屈、头的转动等动作。中国专利201310123840.2提出一种三根弹簧均匀分布的仿人颈部机构，但是仍然不能够比较形象的模拟人颈部肌肉实际的分布情况。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于气动肌肉的仿人颈椎系统，该系统结构紧凑，干净、防爆等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于气动肌肉的仿人颈椎系统，其特征在于，它包括：颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3、头长肌一4、头长肌二5、左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、左侧肋骨第二层8、前面椎骨第二块9、头骨10、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20、后面椎骨第六块21、右侧肋骨第二层22、头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26、头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31、回旋肌一32、颈多裂肌一33、颈夹肌一34、斜角肌一35、斜角肌二36、头长肌三37、斜角肌三38、回旋肌二39、颈夹肌二40、颈多裂肌二41、头长肌四42、斜角肌四43、斜角肌五44、斜角肌六45；

所述的后面椎骨第一块11与头骨10可转动连接，所述的第一层气动肌肉连接板12的上表面与后面椎骨第一块11固定连接，下表面与后面椎骨第二块13可转动连接；所述的第二层气动肌肉连接板14的上表面与后面椎骨第二块13固定连接，下表面与后面椎骨第三块15可转动连接；所述的第三层气动肌肉连接板16的上表面与后面椎骨第三块15固定连接，下表面与所述的后面椎骨第四块17可转动连接；所述的第四层气动肌肉连接板18的上表面与后面椎骨第四块17固定连接，下表面与后面椎骨第五块19可转动连接；

所述的左侧肋骨第一层6、右侧肋骨第一层20的前面和后面分别通过前面椎骨第一块7、后面椎骨第五块19固定连接；

所述的左侧肋骨第二层8与右侧肋骨第二层22的前面和后面分别由前面椎骨第二块9、后面椎骨第六块21固定连接，前面椎骨第二块9、后面椎骨第六块21上端分别与前面椎骨第一块7、后面椎骨第五块19可转动连接；

所述的颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3两端均分别与头骨10、第二层气动肌肉连接板14的前面可转动连接，头长肌一4、头长肌二5两端均分别与头骨10、第三层气动肌肉连接板16的前面可转动连接；

所述的头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31的两端均分别与头骨10、第二层气动肌肉连接板14的后面可转动连接；头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26的两端均分别与头骨10、第三层气动肌肉连接板16的后面可转动连接；

所述的回旋肌一32、颈多裂肌一33、回旋肌二39、颈多裂肌二41的两端均分别与第一层气动肌肉连接板12、第四层气动肌肉连接板18可转动连接，

所述的颈夹肌一34、头长肌三37的两端均分别与第一层气动肌肉连接板12、左侧肋骨第一层6可转动连接；

所述的颈夹肌二40、头长肌四42的两端均分别与第一层气动肌肉连接板12、右侧肋骨第一层20可转动连接；

所述的斜角肌一35、斜角肌二36的两端均分别与第二层气动肌肉连接板14、左侧肋骨第一层6可转动连接；

所述的斜角肌四43、斜角肌五44的两端均分别与第二层气动肌肉连接板14、右侧肋骨第一层20可转动连接；

所述的斜角肌三38的两端分别与第三层气动肌肉连接板16、左侧肋骨第二层8可转动连接；

所述的斜角肌六45的两端分别与第三层气动肌肉连接板16、右侧肋骨第二层22可转动连接；

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。

进一步地，所述的第一层气动肌肉连接板12、第二层气动肌肉连接板14、第三层气动肌肉连接板16和第四层气动肌肉连接板18的形状要保证彼此之间的运动互不干涉。

进一步地，所述的可转动连接为铰接。

进一步地，所述的固定连接为螺纹连接。

进一步地，所述的第一层气动肌肉连接板12、第二层气动肌肉连接板14、第三层气动肌肉连接板16和第四层气动肌肉连接板18均为空心壳体结构。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根气动肌肉模拟人的颈椎肌肉驱动颈椎关节，可以同时实现胸部、颈椎和头多个人关节在多个方向的运动；

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.本发明胸、颈椎、头均具有3个自由度，可以形象地模拟人颈椎可以实现的各种动作，有助于了解人颈椎的结构和人体颈椎每根肌肉在颈椎运动中的作用。

附图说明

图1是本发明的仿人颈椎系统的总体结构示意图；

图2是仿人颈椎系统中颈椎-头前面肌肉结构图；

图3是仿人颈椎系统中颈椎-头后面长肌结构图；

图4是仿人颈椎系统中颈椎-头后面短肌结构图；

图5是仿人颈椎系统中肋骨-颈椎肌肉结构图；

图中，颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3、头长肌一4、头长肌二5、左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、左侧肋骨第二层8、前面椎骨第二块9、头骨10、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20、后面椎骨第六块21、右侧肋骨第二层22、头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26、头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31、回旋肌一32、颈多裂肌一33、颈夹肌一34、斜角肌一35、斜角肌二36、头长肌三37、斜角肌三38、回旋肌二39、颈夹肌二40、颈多裂肌二41、头长肌四42、斜角肌四43、斜角肌五44、斜角肌六45。

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1-5所示，本发明一种基于气动肌肉仿人颈椎系统包括：颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3、头长肌一4、头长肌二5、左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、左侧肋骨第二层8、前面椎骨第二块9、头骨10、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20、后面椎骨第六块21、右侧肋骨第二层22、头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26、头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31、回旋肌一32、颈多裂肌一33、颈夹肌一34、斜角肌一35、斜角肌二36、头长肌三37、斜角肌三38、回旋肌二39、颈夹肌二40、颈多裂肌二41、头长肌四42、斜角肌四43、斜角肌五44、斜角肌六45。

其中，后面椎骨第一块11与头骨10可转动连接；第一层气动肌肉连接板12两端分别与后面椎骨第一块11固定连接、后面椎骨第二块13可转动连接；第二层气动肌肉连接板14两端分别与后面椎骨第二块13固定连接、后面椎骨第三块15可转动连接；第三层气动肌肉连接板16两端分别与后面椎骨第三块15固定连接、后面椎骨第四块17可转动连接；第四层气动肌肉连接板18两端分别与后面椎骨第四块17固定连接、后面椎骨第五块19可转动连接；左侧肋骨第一层6、右侧肋骨第一层20的前面和后面分别由前面椎骨第一块7、后面椎骨第五块19固定连接；左侧肋骨第二层8与右侧肋骨第二层22的前面和后面分别由前面椎骨第二块9、后面椎骨第六块21固定连接，前面椎骨第二块9、后面椎骨第六块21上端分别与前面椎骨第一块7、后面椎骨第五块19可转动连接。

颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3两端分别与头骨10、第二层气动肌肉连接板14前面可转动连接，头长肌一4、头长肌二5两端分别与头骨10、第三层气动肌肉连接板16前面可转动连接；

头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31两端分别与头骨10、第二层气动肌肉连接板14后面可转动连接，头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26两端分别与头骨10、第三层气动肌肉连接板16后面可转动连接。

颈长肌一1、颈长肌二2、颈长肌三3、头后大直肌一27、头下斜肌一28、头下斜肌二29、头后大直肌二30、头后小直肌31一起驱动头骨10、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16屈伸、收展和环转运动；

头长肌一4、头长肌二5、头夹肌一23、头半棘肌一24、头半棘肌二25、头夹肌二26一起驱动头骨10、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16屈伸、收展和环转运动。

回旋肌一32、颈多裂肌一33、回旋肌二39、颈多裂肌二41两端分别与第一层气动肌肉连接板12、第四层气动肌肉连接板18可转动连接，一起驱动后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18屈伸、收展和环转运动；

颈夹肌一34、头长肌三37两端分别与第一层气动肌肉连接板12、左侧肋骨第一层6可转动连接；颈夹肌二40、头长肌四42两端分别与第一层气动肌肉连接板12、右侧肋骨第一层20可转动连接，

颈夹肌一34、头长肌三37、颈夹肌二40、头长肌四42一起驱动左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、后面椎骨第一块11、第一层气动肌肉连接板12、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20屈伸、收展和环转运动；

斜角肌一35、斜角肌二36两端分别与第二层气动肌肉连接板14、左侧肋骨第一层6可转动连接；斜角肌四43、斜角肌五44两端分别与第二层气动肌肉连接板14、右侧肋骨第一层20可转动连接；

斜角肌一35、斜角肌二36，斜角肌四43、斜角肌五44一起驱动左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、后面椎骨第二块13、第二层气动肌肉连接板14、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20屈伸、收展和环转运动；

斜角肌三38两端分别与第三层气动肌肉连接板16、左侧肋骨第二层8可转动连接，斜角肌六45两端分别与第三层气动肌肉连接板16、右侧肋骨第二层22可转动连接，斜角肌三38、斜角肌六45一起驱动左侧肋骨第一层6、前面椎骨第一块7、左侧肋骨第二层8、前面椎骨第二块9、后面椎骨第三块15、第三层气动肌肉连接板16、后面椎骨第四块17、第四层气动肌肉连接板18、后面椎骨第五块19、右侧肋骨第一层20、后面椎骨第六块21、右侧肋骨第二层22屈伸、收展运动。

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。

为了保证所有的肌肉和骨头的运动自由度，第一层气动肌肉连接板12、第二层气动肌肉连接板14、第三层气动肌肉连接板16和第四层气动肌肉连接板18的形状要保证彼此之间的运动互不干涉；为了减轻重量，所有的连接板均设置为空心壳体结构。

上述的可转动连接为铰接。

上述的固定连接为螺纹连接。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的气动肌肉，实现仿人颈椎位姿的控制，可以动态形象的模拟人颈椎的动作，并且可以实现精确的轨迹控制。

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的仿人颈椎系统，其特征在于，它包括：颈长肌一(1)、颈长肌二(2)、颈长肌三(3)、头长肌一(4)、头长肌二(5)、左侧肋骨第一层(6)、前面椎骨第一块(7)、左侧肋骨第二层(8)、前面椎骨第二块(9)、头骨(10)、后面椎骨第一块(11)、第一层气动肌肉连接板(12)、后面椎骨第二块(13)、第二层气动肌肉连接板(14)、后面椎骨第三块(15)、第三层气动肌肉连接板(16)、后面椎骨第四块(17)、第四层气动肌肉连接板(18)、后面椎骨第五块(19)、右侧肋骨第一层(20)、后面椎骨第六块(21)、右侧肋骨第二层(22)、头夹肌一(23)、头半棘肌一(24)、头半棘肌二(25)、头夹肌二(26)、头后大直肌一(27)、头下斜肌一(28)、头下斜肌二(29)、头后大直肌二(30)、头后小直肌(31)、回旋肌一(32)、颈多裂肌一(33)、颈夹肌一(34)、斜角肌一(35)、斜角肌二(36)、头长肌三(37)、斜角肌三(38)、回旋肌二(39)、颈夹肌二(40)、颈多裂肌二(41)、头长肌四(42)、斜角肌四(43)、斜角肌五(44)、斜角肌六(45)；

所述的后面椎骨第一块(11)与头骨(10)可转动连接，所述的第一层气动肌肉连接板(12)的上表面与后面椎骨第一块(11)固定连接，下表面与后面椎骨第二块(13)可转动连接；所述的第二层气动肌肉连接板(14)的上表面与后面椎骨第二块(13)固定连接，下表面与后面椎骨第三块(15)可转动连接；所述的第三层气动肌肉连接板(16)的上表面与后面椎骨第三块(15)固定连接，下表面与所述的后面椎骨第四块(17)可转动连接；所述的第四层气动肌肉连接板(18)的上表面与后面椎骨第四块(17)固定连接，下表面与后面椎骨第五块(19)可转动连接；

所述的左侧肋骨第一层(6)、右侧肋骨第一层(20)的前面和后面分别通过前面椎骨第一块(7)、后面椎骨第五块(19)固定连接；

所述的左侧肋骨第二层(8)与右侧肋骨第二层(22)的前面和后面分别由前面椎骨第二块(9)、后面椎骨第六块(21)固定连接，前面椎骨第二块(9)、后面椎骨第六块(21)上端分别与前面椎骨第一块(7)、后面椎骨第五块(19)可转动连接；

所述的颈长肌一(1)、颈长肌二(2)、颈长肌三(3)两端均分别与头骨(10)、第二层气动肌肉连接板(14)的前面可转动连接，头长肌一(4)、头长肌二(5)两端均分别与头骨(10)、第三层气动肌肉连接板(16)的前面可转动连接；

所述的头后大直肌一(27)、头下斜肌一(28)、头下斜肌二(29)、头后大直肌二(30)、头后小直肌(31)的两端均分别与头骨(10)、第二层气动肌肉连接板(14)的后面可转动连接；头夹肌一(23)、头半棘肌一(24)、头半棘肌二(25)、头夹肌二(26)的两端均分别与头骨(10)、第三层气动肌肉连接板(16)的后面可转动连接；

所述的回旋肌一(32)、颈多裂肌一(33)、回旋肌二(39)、颈多裂肌二(41)的两端均分别与第一层气动肌肉连接板(12)、第四层气动肌肉连接板(18)可转动连接，

所述的颈夹肌一(34)、头长肌三(37)的两端均分别与第一层气动肌肉连接板(12)、左侧肋骨第一层(6)可转动连接；

所述的颈夹肌二(40)、头长肌四(42)的两端均分别与第一层气动肌肉连接板(12)、右侧肋骨第一层(20)可转动连接；

所述的斜角肌一(35)、斜角肌二(36)的两端均分别与第二层气动肌肉连接板(14)、左侧肋骨第一层(6)可转动连接；

所述的斜角肌四(43)、斜角肌五(44)的两端均分别与第二层气动肌肉连接板(14)、右侧肋骨第一层(20)可转动连接。

所述的斜角肌三(38)的两端分别与第三层气动肌肉连接板(16)、左侧肋骨第二层(8)可转动连接。

所述的斜角肌六(45)的两端分别与第三层气动肌肉连接板(16)、右侧肋骨第二层(22)可转动连接。

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的仿人颈椎系统，其特征在于，所述的第一层气动肌肉连接板(12)、第二层气动肌肉连接板(14)、第三层气动肌肉连接板(16)和第四层气动肌肉连接板(18)的形状要保证彼此之间的运动互不干涉。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的仿人颈椎，其特征在于，所述的可转动连接为铰接。

4.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的仿人颈椎系统，其特征在于，所述的固定连接为螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的基于气动肌肉的仿人颈椎系统，其特征在于，所述的第一层气动肌肉连接板(12)、第二层气动肌肉连接板(14)、第三层气动肌肉连接板(16)和第四层气动肌肉连接板(18)均为空心壳体结构。