CN108908303A - 一种基于绳索的仿人肩关节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于绳索的仿人肩关节系统，以电机加绳索模拟人的肌肉驱动肩关节的运动，具有完全模拟人的肩关节运动的功能。所述的仿人肩关节主要由肩胛骨、肱骨、尺骨、冈上肌、小圆肌、冈下肌、三角肌、背阔肌、肱三头肌、喙肱肌、肱二头肌、电机、绳索导向器组成。冈上肌、小圆肌、冈下肌、三角肌、背阔肌、肱三头肌、喙肱肌一起驱动肱骨绕肩胛骨屈伸、收展和环转运动。肱三头肌、肱二头肌在驱动尺骨绕肱骨屈伸、收展运动的同时，还与冈上肌、小圆肌、冈下肌、三角肌、背阔肌、肱三头肌、喙肱肌一起驱动肱骨绕肩胛骨屈伸、收展和环转运动。本发明专利以电机与绳索组合驱动，具有结构紧凑、柔顺性好、运动空间大的特点，可用于教学和展览。

Description

一种基于绳索的仿人肩关节系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种基于绳索的仿人肩关节系统。

背景技术

人的上肢肌肉交错分布，在不同的姿态和运动的过程中，各肌肉协调动作完成复杂的动作输出力和空间姿态运动。

为了更好的了解上肢运动过程中各肌肉的扮演的角色，有必要对上肢的肌肉分布进行研究。中国专利201510016217.6采用气缸设计了仿人上肢，但是气缸比较笨重；中国专利201610539314.8、201621016784.8、201710556553.9先后提出采用气动肌肉驱动的仿人上肢，但是其运动空间受到气动肌肉收缩量的限制，同时气动肌肉的数量也受到端部头的干涉影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于绳索的仿人肩关节系统，本发明结构紧凑，柔顺性好、运动范围和工作空间大等优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于绳索的仿人肩关节系统，它包括：

一种基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，该系统包括肩胛骨、肱骨、尺骨、冈上肌一、冈上肌二、小圆肌一、小圆肌二、冈下肌、三角肌一、三角肌二、三角肌三、背阔肌、肱三头肌一、肱三头肌二、喙肱肌一、喙肱肌二、肱三头肌三、肱二头肌一、肱二头肌二，各个肌肉均由电机和绳索组成，所述的绳索一端缠绕在所述的电机的输出轴上，另一端与骨头相连，所述的电机的转动控制绳索的收放；将肌肉的两端分别定义为电机端和绳索端，将肩胛骨、肱骨、尺骨水平伸直时靠近身体内部的一侧定义为内侧，与内侧相反的一侧为外侧，接近地面的一侧为下侧，与下侧相反的一侧为上侧，则各个肌肉和骨头的连接方式如下：

所述的肩胛骨的一端、肱骨、尺骨依次可转动连接，所述的肩胛骨的另一端上依次固定连接所述的冈上肌一、冈上肌二、小圆肌一、小圆肌二、冈下肌的电机端，所述的冈上肌一、冈上肌二的绳索端与所述的肱骨的上侧连接，所述的小圆肌一、小圆肌二的绳索端与所述的肱骨的内侧连接，所述的冈下肌与所述的肱骨的下侧连接；

所述的三角肌一的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨的外侧和肱骨的下侧，所述的三角肌二、三角肌三的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨的上侧和肱骨的外侧，所述的背阔肌的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨的上侧和肱骨的上侧；

所述的肱三头肌一的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨和肩胛骨的外侧，所述的肱三头肌二的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨和肩胛骨的上侧，所述的喙肱肌一的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨和肩胛骨的内侧，所述的喙肱肌二的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨和肩胛骨的下侧；

所述的肱三头肌三的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨和肩胛骨的上侧，所述的肱二头肌一的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨和肩胛骨的内侧，所述的肱二头肌二的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨和肩胛骨的内侧。

进一步地，所述的肌肉还包括固定在电机上的绳索导向器，所述的绳索一端缠绕在所述的电机的输出轴上，另一端穿过所述的绳索导向器后与骨头相连。

进一步地，所述的肱骨和尺骨均为两端粗、中间细的仿人体的肱骨和尺骨的曲面造型。

进一步地，所述的电机为步进电机，所述的肩胛骨、肱骨、尺骨和绳索导向器的材料均为铝合金。

进一步地，所述的肩胛骨为镂空件。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根电机驱动绳索交叉驱动关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

2.本发明利用电机驱动绳索具有较好的柔顺性、结构紧凑的优点；

3.本发明利用电机驱动绳索，绳索随电机旋转而运动，保证了关节具有较大的运动范围和工作空间。

附图说明

图1是基于绳索的仿人肩关节总体机械结构图；

图2是基于绳索的仿人肩关节骨骼总体机械结构图；

图3是基于绳索的仿人肩关节肌肉分布机械结构图一；

图4是基于绳索的仿人肩关节肌肉分布机械结构图二；

图5是基于绳索的仿人肩关节肌肉分布机械结构图三；

图6是基于绳索的仿人肩关节肌肉分布机械结构图四；

图7为电机和绳索导向器的连接关系结构示意图；

图中：肩胛骨1、肱骨2、尺骨3、冈上肌一4、冈上肌二5、小圆肌一6、小圆肌二7、冈下肌8、三角肌一9、三角肌二10、三角肌三11、背阔肌12、肱三头肌一13、肱三头肌二14、喙肱肌一15、喙肱肌二16、肱三头肌三17、肱二头肌一18、肱二头肌二19、电机20、绳索导向器21。

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1-7所示，一种基于绳索的仿人肩关节系统，其包括肩胛骨1、肱骨2、尺骨3、冈上肌一4、冈上肌二5、小圆肌一6、小圆肌二7、冈下肌8、三角肌一9、三角肌二10、三角肌三11、背阔肌12、肱三头肌一13、肱三头肌二14、喙肱肌一15、喙肱肌二16、肱三头肌三17、肱二头肌一18、肱二头肌二19，各个肌肉均由电机20和绳索组成，绳索一端缠绕在电机的输出轴上，另一端与骨头相连，电机的转动控制绳索的收放；将肌肉的两端分别定义为电机端和绳索端，将肩胛骨1、肱骨2、尺骨3水平伸直时靠近身体内部的一侧定义为内侧，与内侧相反的一侧为外侧，接近地面的一侧为下侧，与下侧相反的一侧为上侧，则各个肌肉和骨头的连接方式如下：

肩胛骨1的一端、肱骨2、尺骨3依次可转动连接，肩胛骨1的另一端上依次固定连接冈上肌一4、冈上肌二5、小圆肌一6、小圆肌二7、冈下肌8的电机端，冈上肌一4、冈上肌二5的绳索端与肱骨2的上侧连接，小圆肌一6、小圆肌二7的绳索端与肱骨2的内侧连接，冈下肌8与肱骨2的下侧连接；

三角肌一9的电机端和绳索端分别固定在肩胛骨1的外侧和肱骨2的下侧，三角肌二10、三角肌三11的电机端和绳索端分别固定在肩胛骨1的上侧和肱骨2的外侧，背阔肌12的电机端和绳索端分别固定在肩胛骨1的上侧和肱骨2的上侧；

肱三头肌一13的电机端和绳索端分别固定在肱骨2和肩胛骨1的外侧，肱三头肌二14的电机端和绳索端分别固定在肱骨2和肩胛骨1的上侧，喙肱肌一15的电机端和绳索端分别固定在肱骨2和肩胛骨1的内侧，喙肱肌二16的电机端和绳索端分别固定在肱骨2和肩胛骨1的下侧；

冈上肌一4、冈上肌二5、小圆肌一6、小圆肌二7、冈下肌8、三角肌一9、三角肌二10、三角肌三11、背阔肌12、肱三头肌一13、肱三头肌二14、喙肱肌一15、喙肱肌二16一起驱动肱骨2绕肩胛骨1屈伸、收展和环转运动。

肱三头肌三17的电机端和绳索端分别固定在尺骨3和肩胛骨1的上侧，肱二头肌一18的电机端和绳索端分别固定在尺骨3和肩胛骨1的内侧，肱二头肌二19的电机端和绳索端分别固定在尺骨3和肩胛骨1的内侧。

肱三头肌三17、肱二头肌一18、肱二头肌二19在驱动尺骨3绕肱骨2屈伸、收展运动的同时，还与冈上肌一4、冈上肌二5、小圆肌一6、小圆肌二7、冈下肌8、三角肌一9、三角肌二10、三角肌三11、背阔肌12、肱三头肌一13、肱三头肌二14、喙肱肌一15、喙肱肌二16一起驱动肱骨2绕肩胛骨1屈伸、收展和环转运动。

为保证电机轴带动绳索运动的方向，电机20在端部增加了绳索导向器21进行绳索的导向，绳索导向器21固定在电机20上的，绳索一端缠绕在电机20的输出轴上，另一端穿过绳索导向器21后与骨头相连。优选地，电机为步进电机。可以根据实际需要增加电机驱动绳索的数量，进一步细化模拟人体肩关节肌肉。

为了更贴近人体，使得仿生效果更好，将肱骨2和尺骨3均设置为两端粗、中间细的仿人体的肱骨2和尺骨3的曲面造型。

为了减轻系统整体的重量，将肩胛骨1、肱骨2、尺骨3和绳索导向器的材料均设置为铝合金，肩胛骨1为镂空件。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的电机与绳索，实现仿人肩关节位姿的控制，可以动态形象的模拟人肩关节的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他仿人肩关节无法比拟的优势。

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)

1.一种基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，该系统包括肩胛骨(1)、肱骨(2)、尺骨(3)、冈上肌一(4)、冈上肌二(5)、小圆肌一(6)、小圆肌二(7)、冈下肌(8)、三角肌一(9)、三角肌二(10)、三角肌三(11)、背阔肌(12)、肱三头肌一(13)、肱三头肌二(14)、喙肱肌一(15)、喙肱肌二(16)、肱三头肌三(17)、肱二头肌一(18)、肱二头肌二(19)，各个肌肉均由电机(20)和绳索组成，所述的绳索一端缠绕在所述的电机的输出轴上，另一端与骨头相连，所述的电机的转动控制绳索的收放；将肌肉的两端分别定义为电机端和绳索端，将肩胛骨(1)、肱骨(2)、尺骨(3)水平伸直时靠近身体内部的一侧定义为内侧，与内侧相反的一侧为外侧，接近地面的一侧为下侧，与下侧相反的一侧为上侧，则各个肌肉和骨头的连接方式如下：

所述的肩胛骨(1)的一端、肱骨(2)、尺骨(3)依次可转动连接，所述的肩胛骨(1)的另一端上依次固定连接所述的冈上肌一(4)、冈上肌二(5)、小圆肌一(6)、小圆肌二(7)、冈下肌(8)的电机端，所述的冈上肌一(4)、冈上肌二(5)的绳索端与所述的肱骨(2)的上侧连接，所述的小圆肌一(6)、小圆肌二(7)的绳索端与所述的肱骨(2)的内侧连接，所述的冈下肌(8)与所述的肱骨(2)的下侧连接。

所述的三角肌一(9)的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨(1)的外侧和肱骨(2)的下侧，所述的三角肌二(10)、三角肌三(11)的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨(1)的上侧和肱骨(2)的外侧，所述的背阔肌(12)的电机端和绳索端分别固定在所述的肩胛骨(1)的上侧和肱骨(2)的上侧。

所述的肱三头肌一(13)的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨(2)和肩胛骨(1)的外侧，所述的肱三头肌二(14)的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨(2)和肩胛骨(1)的上侧，所述的喙肱肌一(15)的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨(2)和肩胛骨(1)的内侧，所述的喙肱肌二(16)的电机端和绳索端分别固定在所述的肱骨(2)和肩胛骨(1)的下侧；

所述的肱三头肌三(17)的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨(3)和肩胛骨(1)的上侧，所述的肱二头肌一(18)的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨(3)和肩胛骨(1)的内侧，所述的肱二头肌二(19)的电机端和绳索端分别固定在所述的尺骨(3)和肩胛骨(1)的内侧。

2.根据权利要求1所述的基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，所述的肌肉还包括固定在电机(20)上的绳索导向器(21)，所述的绳索一端缠绕在所述的电机(20)的输出轴上，另一端穿过所述的绳索导向器(21)后与骨头相连。

3.根据权利要求1所述的基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，所述的肱骨(2)和尺骨(3)均为两端粗、中间细的仿人体的肱骨(2)和尺骨(3)的曲面造型。

4.根据权利要求2所述的基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，所述的电机为步进电机，所述的肩胛骨(1)、肱骨(2)、尺骨(3)和绳索导向器的材料均为铝合金。

5.根据权利要求1所述的基于绳索的仿人肩关节系统，其特征在于，所述的肩胛骨(1)为镂空件。