CN108858273A - 一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及软体机器人领域、气动控制领域及仿生学领域，具体涉及一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节。所述的柔顺关节包括气动肌肉、位移传感器、万向节联轴器、静平台、下端套筒、深沟球轴承、支撑压力弹簧和动平台。动平台设有三组铰孔，每组铰孔间距120度，符合Stewart特征分布，每组铰孔包含两个相同的铰孔，任意铰孔距离动平台的中心点的半径为R1；所述的静平台与动平台相同，每组铰孔包含两个相同的铰孔，任意铰孔距离静平台的中心点的半径为R2；其中R2>R1。本发明并联仿生关节，具有空间六自由度运动，姿态运动空间较大，与人体颈部关节运动机构范围类似，同时增加了机构的运动顺应性及位姿可调范围。

Description

一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节
技术领域
本发明涉及软体机器人领域、气动控制领域及仿生学领域，具体涉及一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节。
背景技术
现在人类社会逐渐进去老龄化社会，劳动力不足的问题将会越来越突出，仿人机器人的研究和使用是改善这种问题的关键方法。它不仅能解决老龄化社会所带来了服务、医疗、劳动力等方面的问题，并且商品化进程中将形成新的产业提供新的就业岗位。
颈部是人体的一个重要组成部分，它连接头部和躯干，支撑头部并产生想要的头部运动。因此，颈关节是智能仿人机器人的关键机构。它使机器人能够在不移动身体的情况下观察外部环境，为观察和操作物体和在房间中找到路径奠定基础。
仿生颈关节机器人就是仿人机器人的一个重要的部分和环节，然而，目前，大部分仿人机器人的颈部采用的是传统的伺服电机或气缸等作为执行元件，由这种元件组成的机器人存在许多明显的缺点，如机器人结构复杂、刚度大、难以完成灵巧动作、功率密度比较低及效率低等问题。并且大部分仿生关节采用串联机构，使关节拥有较大体积。采用并联机构的关节往往只有2或3个自由度，限制了关节的运动范围。
发明内容
本发明针对目前仿生关节遇到的结构复杂、刚度大、体积大和自由度少等问题，提供了一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节。
本发明采用的技术方案是：
一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，包括气动肌肉、位移传感器、万向节联轴器、静平台、下端套筒、深沟球轴承、支撑压力弹簧和动平台。
所述的动平台设有三组铰孔，每组铰孔间距120度，符合Stewart特征分布，每组铰孔包含两个相同的铰孔，每个铰孔距离动平台的中心点的半径为R1；所述的静平台与动平台形状相同，每个铰孔距离静平台的中心点的半径为R2；其中R2>R1。
支撑压力弹簧下端与静平台中心连接，下端套筒套装在支撑压力弹簧下端，支撑压力弹簧上端与动平台下表面中心连接，上端套筒套装在支撑压力弹簧上端，动平台的三组铰孔与静平台的三组铰孔位置交错，支撑压力弹簧为动平台提供支撑力。动平台的铰孔通过深沟球轴承、万向节联轴器与气动肌肉上端连接；气动肌肉下端通过万向节联轴器、深沟球轴承与静平台的铰孔连接；六根气动肌肉依次连接动平台和静平台的铰孔；位移传感器分别与气动肌肉并联连接，位移传感器测量位移的同时可作为直线导轨保持其直线运动；六根气动肌肉分别充气可以使动平台产生六自由度方向的运动。
进一步的，深沟球轴承通过孔用弹性挡圈与铰孔固定，实现深沟球轴承与铰孔的稳定。
进一步的，下端套筒和上端套筒与动平台和静平台采用螺纹连接，对弹簧进行固定。
进一步的，位移传感器的有效行程50mm，输出模拟量位移信号的同时作为柔性气动肌肉的直线导轨。
六根气动人工肌肉作为驱动元件主要输出拉力，仿生颈关节平台之间的支撑压力弹簧，用其来提供平台所需支撑力，使气动人工肌肉时刻处于张紧状态；位移传感器与气动肌肉并联连接，测量位移的同时可作为直线导轨。万向节联轴器和深沟球轴承组合实现气动人工肌肉和动平台、静平台保持三自由度运动，从而保证气动肌肉的直线力的输出。
本发明的有益效果：
1、本发明并联仿生关节，具有空间六自由度运动，姿态运动空间较大，与人体颈部关节运动机构范围类似，同时增加了机构的运动顺应性及位姿可调范围。
2、本发明并联仿生关节采用新型驱动元件气动人工肌肉，使结构具有了轻量，柔性，刚度可控等优点。
3、万向节和轴承串联的连接结构的使用，增大了铰点的角度运动范围，从而增加了上平台的可调姿态范围。
附图说明
图1为六自由度柔顺关节结构示意图。
图2为静、动平台上的铰点分布示意图；(a)静平台，(b)动平台。
图3为静平台结构示意图。
图中：1气动肌肉，2位移传感器，3万向节联轴器，4静平台，5下端套筒，6深沟球轴承，7支撑压力弹簧，8动平台，9孔用弹性挡圈。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1和图3所示，一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，包括气动肌肉1、位移传感器2、万向节联轴器3、静平台4、下端套筒5、深沟球轴承6、支撑压力弹簧7和动平台8。
所述的动平台8设有三组铰孔，每组铰孔间距120度，符合Stewart特征分布，每组铰孔包含两个相同的铰孔，任意铰孔距离动平台8的中心点的半径为R1；所述的静平台4设有三组铰孔，每组铰孔间距120度，符合Stewart特征分布，每组铰孔包含两个相同的铰孔，任意铰孔距离静平台4的中心点的半径为R2；其中R2>R1。
支撑压力弹簧7下端与静平台4中心连接，下端套筒5套装在支撑压力弹簧7下端，支撑压力弹簧7上端与动平台8下表面中心连接，上端套筒套装在支撑压力弹簧7上端，动平台8的三组铰孔与静平台4的三组铰孔位置交错，支撑压力弹簧7为动平台8提供支撑力。
所述的气动肌肉1上端通过万向节联轴器3、深沟球轴承6与动平台8的铰孔连接；气动肌肉1下端采用与气动肌肉1上端相同的连接方式与静平台4的铰孔连接；六根气动肌肉1依次连接动平台8和静平台4的铰孔；位移传感器2分别与气动肌肉1并联连接，位移传感器2测量位移的同时可作为直线导轨保持其直线运动；六根气动肌肉1分别充气可以使动平台8产生六自由度方向的运动。
深沟球轴承6通过孔用弹性挡圈9与铰孔固定，实现深沟球轴承6与铰孔的稳定。下端套筒5和上端套筒与动平台8和静平台4采用螺纹连接，对弹簧进行固定。位移传感器2的有效行程50mm，输出模拟量位移信号的同时作为柔性气动肌肉的直线导轨。
六根气动人工肌肉1作为驱动元件主要输出拉力，仿生颈关节平台之间的支撑压力弹簧7，用其来提供平台所需支撑力，使气动人工肌肉1时刻处于张紧状态；位移传感器2与气动肌肉1并联连接，测量位移的同时可作为直线导轨。万向节联轴器3和深沟球轴承6组合实现气动人工肌肉1和动平台8、静平台4保持三自由度运动，从而保证气动肌肉1的直线力的输出。
从图2所示，动平台和基平台上的六个球铰副均呈六边形分布，且满足
铰点在静平台4和动平台8上的分布中θ＝30°,φ＝90°。

Claims (5)

1.一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，其特征在于，包括气动肌肉(1)、位移传感器(2)、万向节联轴器(3)、静平台(4)、下端套筒(5)、深沟球轴承(6)、支撑压力弹簧(7)和动平台(8)；
所述的动平台(8)设有三组铰孔，每组铰孔间距120度，符合Stewart特征分布，每组铰孔包含两个相同的铰孔，每个铰孔距离动平台(8)的中心点的半径为R1；所述的静平台(4)与动平台(8)形状相同，每个铰孔距离静平台(4)的中心点的半径为R2；其中R2>R1；
静平台(4)中心与支撑压力弹簧(7)下端与连接，下端套筒(5)套装在支撑压力弹簧(7)下端，支撑压力弹簧(7)上端与动平台(8)下表面中心连接，上端套筒套装在支撑压力弹簧(7)上端，动平台(8)的三组铰孔与静平台(4)的三组铰孔位置交错，支撑压力弹簧(7)为动平台(8)提供支撑力；动平台(8)的铰孔通过深沟球轴承、万向节联轴器与气动肌肉(1)上端连接；气动肌肉(1)下端通过万向节联轴器、深沟球轴承与静平台(4)的铰孔连接；六根气动肌肉(1)依次连接动平台(8)和静平台(4)的铰孔；位移传感器(2)分别与气动肌肉(1)并联连接，位移传感器(2)测量位移的同时可作为直线导轨保持其直线运动；六根气动肌肉(1)分别充气可以使动平台(8)产生六自由度方向的运动。
2.如权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，其特征在于，所述的深沟球轴承(6)通过孔用弹性挡圈(9)与铰孔固定，实现深沟球轴承(6)与铰孔的稳定。
3.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，其特征在于，所述的下端套筒(5)和上端套筒与动平台(8)和静平台(4)采用螺纹连接，对弹簧进行固定。
4.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，其特征在于，所述的位移传感器(2)的有效行程50mm，输出模拟量位移信号的同时作为柔性气动肌肉的直线导轨。
5.如权利要求3所述的一种气动肌肉驱动的六自由度柔顺关节，其特征在于，所述的位移传感器(2)的有效行程50mm，输出模拟量位移信号的同时作为柔性气动肌肉的直线导轨。
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