CN108453705A - 一种基于气缸的仿人型机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气缸的仿人型机器人系统，以气缸作为驱动元件模拟人的躯干关节以及四肢运动，具有完全模拟人运动的功能。所述的基于气缸仿人型机器人主要由直线运动气缸、摆动气缸、椎骨、固定板、股骨、腓骨、脚、气爪等组成，具有38个自由度。其中模拟的躯干关节具有6个自由度，模拟下肢的髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、3、3个自由度，模拟上肢的肩关节、肘关节、腕关节分别具有4、1、2个自由度。本发明以气缸驱动，具有清洁、结构紧凑、防爆性能好的特点，可用于工位零件抓取与搬运、展会展览、迎宾等领域。

Description

一种基于气缸的仿人型机器人系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于气缸的仿人型机器人系统。

背景技术

目前以电机作为动力源的仿人机器人已经相对成熟，气缸以清洁的气源作为介质，具有较大的运动空间，并且气缸已经在工业领域得到广泛的运用，气缸又分为直线型运动气缸和旋转型运动气缸，均可以驱动机器人关节运动，在机器人领域必将具有较为广阔的应用前景。目前气缸驱动的仿人型机器人研究基本处于空白状态，除中国专利201711099824.9提出基于气缸的仿人型机器人，但是一些关节的运动自由度较少。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于气缸的仿人型机器人系统，本发明清洁、结构紧凑、防爆性能好等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于气缸的仿人型机器人系统，该机器人系统包括上肢、躯干和下肢，所述的上肢、下肢分别与所述的躯干相连；

所述的躯干包括腰关节第一层板、椎骨一、腰关节第二层板、椎骨二、椎骨三、椎骨四、椎骨五、腰关节第三层板、椎骨六、骨盆、气缸十一、气缸十三、气缸十六、气缸十七、气缸十、气缸十二、气缸十四、气缸十五，所述的腰关节第一层板与椎骨一的一端可转动连接，椎骨一的另一端与腰关节第二层板固定连接，腰关节第二层板、椎骨二、椎骨三、椎骨四、椎骨五依次可转动连接，椎骨五的下端与腰关节第三层板的上表面固定连接，椎骨六的两端分别与腰关节第三层板的下表面、骨盆可转动连接；气缸十一、气缸十三、气缸十六、气缸十七的两端分别与骨盆、腰关节第二层板可转动连接；气缸十、气缸十二、气缸十四、气缸十五的两端分别与腰关节第一层板、腰关节第三层板可转动连接；

所述的上肢包括上肢支撑件以及对称连接在所述的上肢支撑件两侧的左上肢和右上肢，左上肢和右上肢结构相同，所述的左上肢包括上肢连接件、手臂连接件一、摆动气缸一、手臂连接件二、摆动气缸二、手臂连接件三、摆动气缸三、手臂连接件四、气爪、气缸十八、气缸十九，所述的上肢连接件一端与上肢支撑件固定连接，另一端与手臂连接件一可转动连接，摆动气缸一的底座与手臂连接件一固定连接，摆动气缸一的转动轴与手臂连接件二固定连接，摆动气缸二的底座与手臂连接件二固定连接，其转动轴与手臂连接件三固定连接，摆动气缸三的底座与手臂连接件三固定连接，其转动轴与手臂连接件四固定连接，气缸十八、气缸十九的一端均固定在手臂连接件一的下端，另一端均与所述的腰关节第一层板可转动连接；

所述的下肢包括左下肢和右下肢，所述的左下肢和右下肢结构相同，且左右对称分布，所述的左下肢包括股骨第一段、气缸一、气缸二、气缸三、髋关节气缸连接板、股骨第二段、气缸四、气缸五、气缸六、膝关节气缸连接板、腓骨、气缸七、气缸八、气缸九、脚，所述的股骨第一段一端与骨盆可转动连接，另一端与髋关节气缸连接板固定连接，股骨第二段的一端与髋关节气缸连接板固定连接，另一端与膝关节气缸连接板可转动连接，腓骨一端与膝关节气缸连接板固定连接，另一端与脚可转动连接；气缸一、气缸二、气缸三两端分别与骨盆、髋关节气缸连接板可转动连接；气缸四、气缸五、气缸六两端分别与髋关节气缸连接板、膝关节气缸连接板可转动连接；气缸七、气缸八、气缸九两端分别与膝关节气缸连接板、脚可转动连接。

优选地，所述的手臂连接件一为U形。

优选地，骨盆、椎骨一、椎骨二、椎骨三、椎骨四、椎骨五、椎骨六由塑料制成或由金属D打印制成。

优选地，所述的气缸可采用液压缸或电缸代替。

优选地，所述的气缸可采用气动肌肉代替。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根并联气缸串联、并联气缸交叉连接以及摆动气缸串联来驱动关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

2.本发明利用气缸驱动具有干净、运动空间范围大、结构紧凑等优点；

3.本发明利用气缸驱动关节，腿关节、腰关节、胳膊关节分别具有9、6、7个自由度，可形象地模拟人可实现的各种动作，有助于了解人体结构和每根气缸在人体运动中的作用。

附图说明

图1是气缸仿人型机器人整体结构图；

图2是气缸仿人型机器人左下肢的关节结构示意图；

图3是气缸仿人型机器人躯干的关节结构示意图；

图4是气缸仿人型机器人左上肢的关节结构示意图；

图中：骨盆1、股骨第一段2、气缸一3、气缸二4、气缸三5、髋关节气缸连接板6、股骨第二段7、气缸四8、气缸五9、气缸六10、膝关节气缸连接板11、腓骨12、气缸七13、气缸八14、气缸九15、脚16、腰关节第一层板17、椎骨一18、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、气缸十22、气缸十一23、气缸十二24、气缸十三25、椎骨五26、腰关节第三层板27、腰关节第二层板28、气缸十四29、气缸十五30、气缸十六31、气缸十七32、椎骨六33、胳膊支撑件34、胳膊连接件35、手臂连接件一36、摆动气缸一37、手臂连接件二38、摆动气缸二39、气缸十八40、手臂连接件三41、摆动气缸三42、气缸十九43、手臂连接件四44、气爪45。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，本发明基于气缸仿人型机器人系统包括上肢、躯干和下肢，所述的上肢、下肢分别与所述的躯干相连；

所述的躯干包括腰关节第一层板17、椎骨一18、腰关节第二层板28、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、椎骨五26、腰关节第三层板27、椎骨六33、骨盆1、气缸十一23、气缸十三25、气缸十六31、气缸十七32、气缸十22、气缸十二24、气缸十四29、气缸十五30，腰关节第一层板17与椎骨一18的一端可转动连接，椎骨一18的另一端与腰关节第二层板28固定连接，腰关节第二层板28、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、椎骨五26依次可转动连接，椎骨五26的下端与腰关节第三层板27的上表面固定连接，椎骨六33的两端分别与腰关节第三层板27的下表面、骨盆1可转动连接；气缸十一23、气缸十三25、气缸十六31、气缸十七32的两端分别与骨盆1、腰关节第二层板28可转动连接；气缸十22、气缸十二24、气缸十四29、气缸十五30的两端分别与腰关节第一层板17、腰关节第三层板27可转动连接；

气缸十一23、气缸十三25、气缸十六31、气缸十七32驱动腰关节第二层板28、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、椎骨五26、腰关节第三层板27、椎骨六33屈伸、收展和环转弯曲，气缸十22、气缸十二24、气缸十四29、气缸十五30驱动腰关节第一层板17、椎骨一18、腰关节第二层板28、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、椎骨五26、腰关节第三层板27屈伸、收展和环转弯曲。

所述的上肢包括上肢支撑件34以及对称连接在所述的上肢支撑件34两侧的左上肢和右上肢，左上肢和右上肢结构相同，所述的左上肢包括上肢连接件35、手臂连接件一36、摆动气缸一37、手臂连接件二38、摆动气缸二39、手臂连接件三41、摆动气缸三42、手臂连接件四44、气爪45、气缸十八40、气缸十九43，所述的上肢连接件35一端与上肢支撑件34固定连接，另一端与手臂连接件一36可转动连接，摆动气缸一37的底座与手臂连接件一36固定连接，摆动气缸一37的转动轴与手臂连接件二38固定连接，摆动气缸二39的底座与手臂连接件二38固定连接，其转动轴与手臂连接件三41固定连接，摆动气缸三42的底座与手臂连接件三41固定连接，其转动轴与手臂连接件四44固定连接，气缸十八40、气缸十九43的一端均固定在手臂连接件一36的下端，另一端均与所述的腰关节第一层板17可转动连接；

气缸十八40、气缸十九43驱动手臂连接件一36、摆动气缸一37、手臂连接件二38、摆动气缸二39、手臂连接件三41、摆动气缸三42、手臂连接件四44、气爪45相对于上肢连接件35屈伸、收展；摆动气缸一37驱动手臂连接件二38、摆动气缸二39、气缸十八40、手臂连接件三41、摆动气缸三42、手臂连接件四44、气爪45屈伸；摆动气缸二39驱动手臂连接件三41、摆动气缸三42、手臂连接件四44、气爪45环转；摆动气缸三42驱动手臂连接件四44、气爪45屈伸；气爪45为具有环转和夹紧的气爪。

所述的下肢包括左下肢和右下肢，所述的左下肢和右下肢结构相同，且左右对称分布，所述的左下肢包括股骨第一段2、气缸一3、气缸二4、气缸三5、髋关节气缸连接板6、股骨第二段7、气缸四8、气缸五9、气缸六10、膝关节气缸连接板11、腓骨12、气缸七13、气缸八14、气缸九15、脚16，所述的股骨第一段2一端与骨盆1可转动连接，另一端与髋关节气缸连接板6固定连接，股骨第二段7的一端与髋关节气缸连接板6固定连接，另一端与膝关节气缸连接板11可转动连接，腓骨12一端与膝关节气缸连接板11固定连接，另一端与脚16可转动连接；气缸一3、气缸二4、气缸三5两端分别与骨盆1、髋关节气缸连接板6可转动连接；气缸四8、气缸五9、气缸六10两端分别与髋关节气缸连接板6、膝关节气缸连接板11可转动连接；气缸七13、气缸八14、气缸九15两端分别与膝关节气缸连接板11、脚16可转动连接。

气缸一3、气缸4二、气缸三5一起驱动股骨第一段2、气缸一3、气缸4二、气缸三5、髋关节气缸连接板6、股骨第二段7、气缸四8、气缸五9、气缸六10、膝关节气缸连接板11、腓骨12、气缸七13、气缸八14、气缸九15、脚16相对于骨盆1屈伸、收展和环转，气缸四8、气缸五9、气缸六10则驱动膝关节气缸连接板11、腓骨12、气缸七13、气缸八14、气缸九15、脚16相对于股骨第二段7屈伸、收展和环转，气缸七13、气缸八14、气缸九15则驱动脚16相对于腓骨12屈伸、收展和环转。

优选地，所述的手臂连接件一36为U形；

优选地，骨盆1、椎骨一18、椎骨二19、椎骨三20、椎骨四21、椎骨五26、椎骨六33由塑料制成或由金属3D打印制成；

优选地，气缸可采用液压缸或电缸或气动肌肉代替。

本发明，通过控制各关节气缸，可以实现气缸驱动仿人机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气缸驱动仿人机器人无法比拟的优势。

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 (5)

1.一种基于气缸的仿人型机器人系统，其特征在于，该机器人系统包括上肢、躯干和下肢，所述的上肢、下肢分别与所述的躯干相连；

所述的躯干包括腰关节第一层板(17)、椎骨一(18)、腰关节第二层板(28)、椎骨二(19)、椎骨三(20)、椎骨四(21)、椎骨五(26)、腰关节第三层板(27)、椎骨六(33)、骨盆(1)、气缸十一(23)、气缸十三(25)、气缸十六(31)、气缸十七(32)、气缸十(22)、气缸十二(24)、气缸十四(29)、气缸十五(30)，所述的腰关节第一层板(17)与椎骨一(18)的一端可转动连接，椎骨一(18)的另一端与腰关节第二层板(28)固定连接，腰关节第二层板(28)、椎骨二(19)、椎骨三(20)、椎骨四(21)、椎骨五(26)依次可转动连接，椎骨五(26)的下端与腰关节第三层板(27)的上表面固定连接，椎骨六(33)的两端分别与腰关节第三层板(27)的下表面、骨盆(1)可转动连接；气缸十一(23)、气缸十三(25)、气缸十六(31)、气缸十七(32)的两端分别与骨盆(1)、腰关节第二层板(28)可转动连接；气缸十(22)、气缸十二(24)、气缸十四(29)、气缸十五(30)的两端分别与腰关节第一层板(17)、腰关节第三层板(27)可转动连接;

所述的上肢包括上肢支撑件(34)以及对称连接在所述的上肢支撑件(34)两侧的左上肢和右上肢，左上肢和右上肢结构相同，所述的左上肢包括上肢连接件(35)、手臂连接件一(36)、摆动气缸一(37)、手臂连接件二(38)、摆动气缸二(39)、手臂连接件三(41)、摆动气缸三(42)、手臂连接件四(44)、气爪(45)、气缸十八(40)、气缸十九(43)，所述的上肢连接件(35)一端与上肢支撑件(34)固定连接，另一端与手臂连接件一(36)可转动连接，摆动气缸一(37)的底座与手臂连接件一(36)固定连接，摆动气缸一(37)的转动轴与手臂连接件二(38)固定连接，摆动气缸二(39)的底座与手臂连接件二(38)固定连接，其转动轴与手臂连接件三(41)固定连接，摆动气缸三(42)的底座与手臂连接件三(41)固定连接，其转动轴与手臂连接件四(44)固定连接，气缸十八(40)、气缸十九(43)的一端均固定在手臂连接件一(36)的下端，另一端均与所述的腰关节第一层板(17)可转动连接；

所述的下肢包括左下肢和右下肢，所述的左下肢和右下肢结构相同，且左右对称分布，所述的左下肢包括股骨第一段(2)、气缸一(3)、气缸二(4)、气缸三(5)、髋关节气缸连接板(6)、股骨第二段(7)、气缸四(8)、气缸五(9)、气缸六(10)、膝关节气缸连接板(11)、腓骨(12)、气缸七(13)、气缸八(14)、气缸九(15)、脚(16)，所述的股骨第一段(2)一端与骨盆(1)可转动连接，另一端与髋关节气缸连接板(6)固定连接，股骨第二段(7)的一端与髋关节气缸连接板(6)固定连接，另一端与膝关节气缸连接板(11)可转动连接，腓骨(12)一端与膝关节气缸连接板(11)固定连接，另一端与脚(16)可转动连接；气缸一(3)、气缸二(4)、气缸三(5)两端分别与骨盆(1)、髋关节气缸连接板(6)可转动连接；气缸四(8)、气缸五(9)、气缸六(10)两端分别与髋关节气缸连接板(6)、膝关节气缸连接板(11)可转动连接；气缸七(13)、气缸八(14)、气缸九(15)两端分别与膝关节气缸连接板(11)、脚(16)可转动连接。

2.根据权利要求1所述的基于气缸的仿人型机器人系统，其特征在于，所述的手臂连接件一(36)为U形。

3.根据权利要求1所述的基于气缸的仿人型机器人系统，其特征在于，骨盆(1)、椎骨一(18)、椎骨二(19)、椎骨三(20)、椎骨四(21)、椎骨五(26)、椎骨六(33)由塑料制成或由金属3D打印制成。

4.根据权利要求1所述的基于气缸的仿人型机器人系统，其特征在于，所述的气缸可采用液压缸或电缸代替。

5.根据权利要求1所述的基于气缸的仿人型机器人系统，其特征在于，所述的气缸可采用气动肌肉代替。