CN108890690A - 一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，包括仿生运动骨杆、顶端设有锥形圆孔的空心球结构的仿生关节支撑件和仿生从动骨杆；仿生运动骨杆侧壁与仿生关节支撑件侧壁之间通过气动人工肌肉连接，仿生从动骨连接在仿生关节支撑件的下端；仿生关节支撑件内设球形体、十字弧形阻尼块、活动块，十字弧形阻尼块将仿生关节支撑件内部分为四个空间，并充满磁流变液；仿生运动骨杆的下端穿过锥形圆孔通过活动块与球形体连接，并在仿生关节支撑件与所述锥形圆孔之间套设有橡胶密封圈。本发明通过气压控制实现仿生关节的运动调节与控制；磁流变液通过电磁控制，实现仿生关节的运动调节与控制，具有结构紧凑、外形相似、驱动稳定、性能优良等优点。

Description

一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节

技术领域

本发明属于关节机械手技术领域，涉及一种仿生关节，特别是涉及一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节。

背景技术

在自然界中，生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。因此，把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的特性结合使用，就能应用仿生学解决实践生活中的问题。

目前，各种各样的仿生关节被设计制造出来，用以模仿和替代人体关节。但是现有的仿生关节大多采用复杂的结构或者传统的传动方式来实现功能要求，往往导致了仿生关节的结构尺寸较大、并且相当复杂，很难应用到实际中。并且为了实现仿生关节的特性，大多数仿生关节往往为了追求功能实现而忽视了外观的设计，没有实现真正的仿制人体骨骼形状，这就大大的限制了其应用范围。因此，急需一种结构紧凑、外形相似、驱动稳定、性能优良的仿生关节结构。

研究发现，气动人工肌肉由其可以提供很大的力量、重量小和仅受气压单因素影响及非线性特性与人体骨骼肌相近等特点，这些特点致使气动人工肌肉可以应用于多个领域，可用于仿生关节的研究等多个行业。磁流变液具有响应快、能耗小、稳定和剪切屈服强度高等特性，并且其拥有较好的缓冲减振作用，对仿生关节的缓冲减振研究有十分重要的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，通过气压控制实现仿生关节的运动调节与控制；磁流变液通过电磁控制，实现仿生关节的运动调节与控制，具有结构紧凑、外形相似、驱动稳定、性能优良等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，包括：仿生运动骨杆、仿生关节支撑件和仿生从动骨杆；所述仿生运动骨杆侧壁与所述仿生关节支撑件侧壁之间通过气动人工肌肉连接，所述仿生从动骨连接在所述仿生关节支撑件的下端；所述仿生关节支撑件是顶端设有锥形圆孔的空心球结构，在所述仿生关节支撑件内设有球形体、位于球形体下方用于包覆固装球形体的十字弧形阻尼块、和位于球形体和锥形圆孔之间的活动块，所述十字弧形阻尼块内侧的弧度与球形体弧度一致，所述十字弧形阻尼块的顶端与所述活动块下表面接触，所述十字弧形阻尼块的外侧与仿生关节支撑件的内侧紧密接触，将所述仿生关节支撑件内部空间分为四个相等的空间，并将所述仿生关节支撑件内部其余空间充满磁流变液；所述仿生运动骨杆的下端穿过锥形圆孔通过活动块与球形体连接，并在所述仿生关节支撑件与所述锥形圆孔之间套设有橡胶密封圈，通过橡胶密封圈封闭其内部空间，所述活动块的上表面与所述仿生关节支撑件的内表面相接触且弧度一致。所述的气动人工肌肉均通过气压控制，实现仿生关节的运动调节与控制；所述磁流变液通过电磁控制，实现仿生关节的运动调节与控制。

作为一种优选实施方式，在所述十字弧形阻尼块上设有阻尼孔，阻尼孔起到阻尼的作用，并对冲击进行缓冲和减振。

作为一种优选实施方式，在所述十字弧形阻尼块的外侧、仿生关节支撑件的内侧、球形体外侧分别涂设有减阻涂层。

作为一种优选实施方式，所述仿生运动骨杆侧壁与所述仿生关节支撑件侧壁之间通过四个对称分布的气动人工肌肉连接；进一步地，所述气动人工肌肉与十字弧形阻尼块中阻尼块交错分布；优选地，在同一水平面上的投影的所述气动人工肌肉与十字弧形阻尼块中阻尼块之间的夹角为45°。

作为一种优选实施方式，所述锥形圆孔的上孔径大于下孔径，所述橡胶密封圈与活动块相接触的截面与所述活动块上表面的弧度相一致。

进一步地，所述活动块是球冠结构，所述活动块上表面与仿生关节支撑件内侧的弧度相同，所述活动块的上表面与仿生运动骨杆连接，下表面与球形体连接，十字弧形阻尼块顶端与活动块下表面连接并包覆在球形体上；所述球形体为去掉球冠的类球体结构，其所上端面和十字弧形阻尼块顶端与活动块下表面平位于同一水平面；当然，也可以在所述连接块的下表面设有与所述球形体相配合的凹槽；上述连接可通过粘接、焊接和花键连接等能实现紧密连接的形式实现。

较佳地，所述仿生运动骨杆为圆柱杆结构，其下端为一弧形面且弧度与活动块上表面的弧度相同；所述气动人工肌肉两端为球体，中间部分为气动部件；所述仿生从动骨杆为一顶部不规则的圆柱杆，上端为一弧形面且弧度与仿生关节支撑件外侧弧度相同。

作为一种优选实施方式，所述球形体、活动块和十字弧形阻尼块均由非铁磁性材料制成的。

本发明的有益效果为：

（1）本发明的仿生关节工作状态下，仿生运动骨杆可以在仿生关节支撑件内部自由旋转，通过仿生关节支撑件内部的磁流变液和气动人工肌肉实现仿生关节的基本导向和承载等功能；当受到极端的冲击载荷时，则通过控制磁流变液的特性和气动人工肌肉的输出力联合对极端条件进行调节；

（2）本发明的外观与骨骼关节的基本形状类似，可以增大其在仿生关节领域的应用；

（3）本发明的仿生关节具有两个互相独立的系统：磁流变液系统和气动人工肌肉系统。两者可单独或互相协调对仿生关节进行调节，能够适用各种不同工况的需求；

（4）本发明所述的仿生关节支撑件上部的锥形孔的大小和橡胶密封圈的大小及活动块的大小均可根据实际工况进行调整，可以满足极大的运动范围，并且具有良好的灵活性；

（5）综上所述，本发明通过对仿生关节的设计，使仿生关节可以通过对气动人工肌肉和磁流变液电磁特性的控制，实现仿生关节各种工况下的性能要求。并结合传统仿生关节的优点，发明一种结构紧凑、外形相似、驱动稳定、性能优良的基于磁流变液的气动肌肉仿生关节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的剖视结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是本发明仿生关节支撑件的结构示意图。

图4是本发明仿生运动骨杆下部的仰视结构示意图图。

图5是本发明气动人工肌肉的结构示意图。

图中：1、十字弧形阻尼块；2、磁流变液；3、球形体；4、橡胶密封圈；5、仿生运动骨杆；6、气动人工肌肉；7、活动块；8、仿生关节支撑件；9、阻尼孔；10、仿生从动骨杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示的基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，包括仿生运动骨杆5、仿生关节支撑件8和仿生从动骨杆10；如图1和2所示，四个对称分布的气动人工肌肉6通过球副分别与所述仿生运动骨杆5侧壁和所述仿生关节支撑件8侧壁连接，气动人工肌肉6为四等分布置，可以实现仿生运动骨杆5摆动和转动控制，也可以防止仿生运动骨杆5的运动脱节；所述仿生从动骨10连接在所述仿生关节支撑件8的下端；所述仿生关节支撑件8 是顶端设有锥形圆孔的空心球结构，所述锥形圆孔的上孔径大于下孔径，在所述仿生关节支撑件8内设有球形体3、位于球形体3下方用于包覆固装球形体3的十字弧形阻尼块、和位于球形体3和锥形圆孔之间的活动块7，所述十字弧形阻尼块1的顶端与所述活动块7下表面接触，在所述十字弧形阻尼块1的外侧、仿生关节支撑件8的内侧、球形体3外侧分别涂设有减阻涂层，方便整个仿生关节的相对运动；如图1和4所示，所述十字弧形阻尼块6内侧的弧度与球形体3弧度一致，所述十字弧形阻尼块1的外侧与仿生关节支撑件8的内侧弧度一致且紧密接触，将所述仿生关节支撑件8内部空间分为四个相等的空间，并将所述仿生关节支撑件8内部其余空间充满磁流变液，在所述十字弧形阻尼块1上设有阻尼孔9，既方便仿生运动骨杆在仿生关节支撑件内部运动，又防止磁流变液的泄露，与橡胶密封圈4双重作用；如图1和3所示，所述仿生运动骨杆5的下端穿过锥形圆孔通过活动块7与球形体3连接，并在所述仿生关节支撑件8与所述锥形圆孔之间套设有橡胶密封圈4，通过橡胶密封圈4封闭其内部空间，锥形圆孔可以在仿生运动骨杆5运动过程中起到限位的作用，而橡胶密封圈4则起到密封和缓冲减振的作用，且所述锥形圆孔的大小和橡胶密封圈4的大小均可根据实际的工况进行调整，增加仿生关节的工程适用性；所述活动块7的上表面与所述仿生关节支撑件8的内表面相接触且弧度一致，且所述橡胶密封圈4与活动块7相接触的截面与所述活动块7上表面的弧度相一致；所述球形体3、活动块7和十字弧形阻尼块1均由非铁磁性材料制成；所述的气动人工肌肉均通过气压控制，实现仿生关节的运动调节与控制；所述磁流变液通过电磁控制，实现仿生关节的运动调节与控制。

其中，所述气动人工肌肉6与十字弧形阻尼块1中阻尼块交错分布，俯视图上，在同一水平面上的投影的所述气动人工肌肉6与十字弧形阻尼块中阻尼块1之间的夹角为45°，方便仿生关节对各个角度运动的调节与控制。

所述活动块7是球冠结构，所述活动块7上表面与仿生关节支撑件8内侧的弧度相同，所述活动块7的上表面与仿生运动骨杆5连接，下表面与球形体3连接，十字弧形阻尼块1顶端与活动块7下表面连接并包覆在球形体3上；所述球形体3为去掉球冠的类球体结构，其所上端面和十字弧形阻尼块1顶端与活动块7下表面平位于同一水平面；上述连接方式为花键连接。

如图5所示，所述仿生运动骨杆5为圆柱杆结构，其下端为一弧形面且弧度与活动块7上表面的弧度相同；所述气动人工肌肉6两端为球体，中间部分为气动部件；所述仿生从动骨杆10为一顶部不规则的圆柱杆，上端为一弧形面且弧度与仿生关节支撑件8外侧弧度相同。

当仿生关节需要应对各种摆动和转动等的工况要求时，则通过仿生运动骨杆5带动活动块7，活动块7带动球形体3和十字弧形阻尼块1发生转动或摆动，气动人工肌肉6则通过压缩或放松实现力的储存和释放。

当实际工况要求比较恶劣时，则通过控制磁流变液的阻尼特性和气动人工肌肉的特性使仿生关节达到所需的姿态，以适应不同工况的需求。

本发明通过控制气动人工肌肉和磁流变液，可以实现仿生关节位置姿态的控制，可以形象的模仿生物骨骼关节的运动形态，结构紧凑，实现精准的轨迹控制，本发明拥有其他仿生关节无法比拟的优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于，包括：仿生运动骨杆、仿生关节支撑件和仿生从动骨杆；所述仿生运动骨杆侧壁与所述仿生关节支撑件侧壁之间通过气动人工肌肉连接，所述仿生从动骨连接在所述仿生关节支撑件的下端；所述仿生关节支撑件是顶端设有锥形圆孔的空心球结构，在所述仿生关节支撑件内设有球形体、位于球形体下方用于包覆固装球形体的十字弧形阻尼块、和位于球形体和锥形圆孔之间的活动块，所述十字弧形阻尼块内侧的弧度与球形体弧度一致，所述十字弧形阻尼块的顶端与所述活动块下表面接触，所述十字弧形阻尼块的外侧与仿生关节支撑件的内侧紧密接触，将所述仿生关节支撑件内部空间分为四个相等的空间，并填充满磁流变液；所述仿生运动骨杆的下端穿过锥形圆孔通过活动块与球形体连接，并在所述仿生关节支撑件与所述锥形圆孔之间套设有橡胶密封圈，所述活动块的上表面与所述仿生关节支撑件的内表面相接触且弧度一致。

2.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：在所述十字弧形阻尼块上设有阻尼孔。

3.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：在所述十字弧形阻尼块的外侧、仿生关节支撑件的内侧、球形体外侧分别涂设有减阻涂层。

4.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述仿生运动骨杆侧壁与所述仿生关节支撑件侧壁之间通过四个对称分布的气动人工肌肉连接。

5.如权利要求4所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述气动人工肌肉与十字弧形阻尼块中阻尼块交错分布。

6.如权利要求5所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：在同一水平面上的投影的所述气动人工肌肉与十字弧形阻尼块中阻尼块之间的夹角为45°。

7.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述锥形圆孔的上孔径大于下孔径，所述橡胶密封圈与活动块相接触的截面与所述活动块上表面的弧度相一致。

8.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述活动块是球冠结构，所述活动块上表面与仿生关节支撑件内侧的弧度相同，所述活动块的上表面与仿生运动骨杆连接，下表面与球形体连接，十字弧形阻尼块顶端与活动块下表面连接并包覆在球形体上。

9.如权利要求1所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述仿生运动骨杆为圆柱杆结构，其下端为一弧形面且弧度与活动块上表面的弧度相同；所述气动人工肌肉两端为球体，中间部分为气动部件；所述仿生从动骨杆为一顶部不规则的圆柱杆，上端为一弧形面且弧度与仿生关节支撑件外侧弧度相同。

10.如权利要求1~9中任一所述基于磁流变液的气动肌肉仿生关节，其特征在于：所述球形体、活动块和十字弧形阻尼块均由非铁磁性材料制成的。