CN109895066A - 基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，旨在解决现有机器人柔顺性差、无法完成复杂且高精度的装配动作问题，本发明人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；伸缩单元包括导向装置、弹性部件；导向装置包括固定部和移动部；弹性部件和气动肌腱均与导向装置的移动部相连；拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件；本发明主动收缩时气动肌腱与驱动部件可以带动柔性连接件拉动导向装置的移动部移动，被动拉伸时弹性部件提供被动拉力，从而模拟出肌肉工作状态时的非线性特性，本发明的人工肌肉模块具有柔顺性，可使装配本发明的机器人实现复杂且高精度的装配动作。

Description

基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块。

背景技术

在机器人技术飞速发展的今天，工业机器人已经很广泛地应用于工厂自动化流水生产中，尤其是通用机械臂，配合设计的末端执行器可以进行工件的简单抓取、分拣和安装。但是在一些复杂的装配环节，始终需要人来进行复杂的重复性装配工作。这种装配情况下，人相对于机器人来说，有着较高的柔顺性，可以利用人体肌肉的相互拮抗完成在低传感信息下的高精度装配。

在仿生机器人领域，对于仿人机械臂的研究一直在开展。从简单模仿人体上肢的运动自由度到模仿人体上肢的肌肉排布，并通过控制算法模仿人类简单动作。不过现有的仿人机器人在模拟出人体肌肉的生物特性时，却无法提供装配时的柔顺性。在2003年，基于前人提出的数学模型，Thelen等人简化了肌肉的数学模型，采用主动收缩元件、被动弹簧和非线性弹簧组成复合模型。在测试中，发现随着肌肉激活信号的输入，肌肉长度与肌肉主动力呈非线性的关系；并且在肌肉处于拉伸状态的时候，肌肉也可以产生一定的被动力来维持当前的形变状态。有多对肌肉拮抗之后共同受力作用之后形成了人体的上臂肌肉群，人体上臂正是依赖于肌肉的非线性特性来主动发力与被动拉伸来完成复杂且高精度的装配动作，并且为上臂提供灵活的自由度和较高的柔顺性。

基于此，本发明提出了一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有仿人机器人无法模拟肌肉的非线性特性为装配提供柔顺性的问题，本发明提供了一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，所述人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；

所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，所述导向装置的固定部固设于本体结构件，所述导向装置的移动部与所述弹性部件连接；所述弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；所述拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于所述本体结构，所述柔性连接件与所述导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；所述气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端。

在一些优选实施例中，所述拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；所述离合装置设置于所述驱动电机和所述从动构件之间，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。

在一些优选实施例中，所述从动构件为线轮，所述驱动电机可以驱动所述线轮转动以收/放所述柔性连接件。

在一些优选实施例中，所述导向装置还包括装设于所述移动部的传感器，用于检测所述移动部位移量。

在一些优选实施例中，所述导向装置的固定部为直线型导轨，所述导向装置的移动部为与所述直线型导轨配合的滑块，所述气动肌腱的一端与所述滑块固定连接。

在一些优选实施例中，所述弹性部件为弹簧。

在一些优选实施例中，上述人工肌肉模块还包括导轮组件，所述柔性连接件通过所述导轮组件与所述导向装置的移动部连接。

在一些优选实施例中，所述导轮组件包括驱动导向模块、所述驱动导向模块包括第一导向轮组、第二导向轮组、导向轮固定结构件；所述第一导向轮组、第二导向轮组的转动面垂直设置。

在一些优选实施例中，所述导轮组件还包括张紧机构，所述张紧机构包括第三导向轮组、弹性构件；所述弹性构件与第三导向轮组相配以维持柔性连接件张紧度。

在一些优选实施例中，所述第一导向轮组、所述第二导向轮组和所述第三导向轮组中的导向轮均为深V轴承。

本发明的有益效果：

本发明很好的模拟了肌肉在工作时的非线性特性，在工作时可以调节主动力与长度的非线性关系。在使用时可以在更小范围的长度变化内输出更多的主动力，具有较强的负载能力的同时也保证柔顺性从而完成复杂且高精度的装配动作。

本发明为安装它的运动机构提供了一定的柔顺性，在人工肌肉不主动工作时，它可以提供被动力，保证整体的柔顺性，并且气动肌腱拓宽了本发明人工肌肉模块的使用范围，降低了安装难度。

本发明在拉紧单元中使用了离合装置，通过离合装置可以让驱动电机与从动构件即时分离，使得人工肌肉主动发力与被动拉伸可以随意切换。

本发明利用动、定滑轮组配合构成的导轮组件，利用导向轮的排布改变柔性连接件的传动方向，节省了整体装置的尺寸和安装空间；使得柔性连接件始终处于张紧状态，时刻保持受力。

本发明在导向装置处安装了位移传感器，使得本发明人工肌肉在主动收缩和被动拉伸状态切换时，可以实时反馈拉线的长度变化，将整个人工肌肉的长度变化构成闭环，可实现对整个人工肌肉的控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的人工肌肉模块的整体结构装配示意图一；

图2是本发明的人工肌肉模块的整体结构爆炸示意图二；

图3是本发明的驱动部件的结构装配示意图一；

图4是本发明的驱动部件的结构爆炸示意图二；

图5是本发明的驱动导向模块结构示意图；

图6是本发明的张紧机构结构示意图；

附图标记列表：

1-本体结构件；2-驱动部件，201-驱动电机，202-电机轴承座，203-电磁离合器，204-传动轴，205-线轮，206-固定轴承座，207-轴承；3-柔性连接件；4-弹性部件；5-驱动导向模块，501-深V轴承，502-前导向轮固定座，503-后导向轮固定座，504-锥形垫片；6-张紧机构，601-深V轴承，602-锥形垫片，603-张紧滑动件，605-张紧弹簧，606-垫片，607-螺母，608-螺杆；7-滑动线绳固定座；8-位移传感器；9-滑块；10-导轨；11-气动肌腱；12-滑动固定座；13-M8螺栓；14-端点固定座。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，导向装置的固定部固设于本体结构件，导向装置的移动部与弹性部件连接；弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于本体结构件，所述柔性连接件与导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端，至此气动肌腱与驱动电机通过线驱动的方式连接并构成移动副，并利用传感器实时测量位移，形成闭环反馈。人工肌肉模块主动收缩时，线驱动移动副为人工肌肉模块提供驱动力及闭环反馈，人工肌肉模块受被动拉伸时，弹性部件为人工肌肉模块提供被动力。

本发明的一些实施例中，拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；离合装置设置于驱动电机和从动构件之间，本实施例中离合装置选用电磁离合器，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。从动构件选为线轮，驱动电机可以驱动线轮转动以收/放所述柔性连接件。本领域技术人员可以在实际应用中灵活地设置离合装置、从动构件的具体结构，只要能够使离合装置建立或切离驱动电机和从动构件之间的传动关系；从动构件带动柔性连接件的长度变化达到收/放柔性连接件即可。本发明的一些实施例中，导向装置还包括设置于移动部的位移传感器，本实施例中选用拉绳位移传感器用于检测移动部位移量。

为了更清晰地对本发明的一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

下面参照图1-6对本发明人工肌肉模块的具体结构作进一步详细说明。

图1是本发明人工肌肉模块一种实施方式的整体装配结构示意图；为更清楚地将本发明实施例人工肌肉模块内各个部件的位置、连接关系、功能表达清楚，采用爆炸视图2对装配图进行分解表达。如图1和图2所示，本发明一种实施例的人工肌肉模块主要包括：本体结构件1、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱11、导轮组件、外部连接件。拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件3；伸缩单元包括弹性部件4、导向装置，导向装置进一步包括滑动线绳固定座7、位移传感器8、滑块9、导轨10、滑动固定座12；导轮组件包括驱动导向模块5、张紧机构6；外部连接件包括M8螺栓13、端点固定座14。

本体结构件1为人工肌肉外壳，考虑到为方便固定、保护人工肌肉模块内各装置，将人工肌肉外壳设置为如图1所示的中空壳体结构，且人工肌肉外壳设有装置安装孔；关于人工肌肉外壳的具体结构，本领域技术人员可以根据实际需要灵活地设计，在此不再一一列举。

继续参阅图1和图2，拉紧单元主要包括驱动部件2和柔性连接件3，其中，驱动部件2利用栓接的方式倒转地固定在人工肌肉外壳内部的上方，柔性连接件3与驱动部件2相连接；接着参阅图3和图4，驱动部件2包括驱动电机201、电机轴承座202、电磁离合器203、传动轴204、线轮205、固定轴承座206以及轴承207。传动轴204的一端固定在电机轴承座202上且与驱动电机201连接，传动轴204的另一端通过固定轴承座206固定；电磁离合器203与线轮205均串联设置在传动轴204上；优选地，柔性连接件3可以为线绳，线绳一端与线轮205相连；至此构成电机传动轴系。进一步地，将驱动电机201通过栓接的方式固定在电机轴承座202的一端，将第一轴承207_1置入电机轴承座202的另一端轴承安装处，并将传动轴204与第一轴承207_1进行轴孔配合，将传动轴204与驱动电机201的输出轴通过D型轴孔进行配合，并通过顶丝进行固定；本领域技术人员也可根据实际需求灵活地设置传动轴与电机输出轴的装配方式。将电磁离合器203的发电端通过栓接的方式与传动轴204的法兰处固定，衔铁端与套装在传动轴204上的线轮205通过栓接的方式固定；并将传动轴204的另一端与压入第二轴承207_2的固定轴承座206进行轴孔配合；至此构成电机传动轴系即驱动部件2，将驱动部件2通过安装孔固定在人工肌肉外壳上，当电磁离合器203工作时，电机输出轴转动带动整个电机传动轴系工作，进而带动线轮205转动进行收线或者放线，达到利用线驱动改变长度的目的；电磁离合器203不工作时，线轮205与电机输出轴脱离，线轮205自由转动但驱动电机201的输出力传递不到人工肌肉，达到整个人工肌肉被动拉伸的效果。

继续参阅图1和图2，伸缩单元包括由滑动线绳固定座7、位移传感器8、滑块9、导轨10、滑动固定座12构成的导向装置及弹性部件4；其中导轨10通过栓接的方式固定在人工肌肉外壳内部下方的对应安装孔处构成导向装置的固定部，滑动固定座12和滑动线绳固定座7以栓接的方式与并列安装在导轨10上的两个滑块9固定构成导向装置的移动部；线绳的一端固定在滑动线绳固定座7上，可以拉动滑动线绳固定座7沿导轨位移；之后将气动肌腱11的一端通过栓接的方式固定在滑动固定座12上，位移传感器8也采用同样的方式背向气动肌腱11固定在滑动固定座12上。优选地，位移传感器8选用拉绳位移传感器，本领域技术人员可以在实际应用中灵活地设置滑块固定座12的形状、结构，只要能够使气动肌腱11和位移传感器8固定在滑块9上即可，同时也可灵活地选择位移传感器8的种类，这种对滑块固定座形状以及位移传感器种类的调整并不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。接着将弹性部件4的一端与滑动线绳固定座7固定；弹性部件4的另一端与导轮组件固定，并保证弹性部件4的中心线与线绳中心线平行。

如图5和图6所示，本实施例人工肌肉模块还包括驱动导向模块5和张紧机构6组成的导轮组件，线绳活动端依次通过驱动导向模块5和张紧机构6与滑动线绳固定座7连接，导轮组件用于改变线绳传动方向，维持线绳张紧度。

图5所示的驱动导向模块5作为导轮组件的一个示例，其具体包括两个转动面平行设置的导向轮构成的第一导向轮组、一个与第一导向轮组转动面垂直设置的第二导向轮组、导向轮固定结构件。导向轮固定结构件用于固定导向轮位置；优选地，如图5所示选用两个前后导向轮固定座502、503作为导向轮固定结构件，通过栓接的方式横向固定在人工肌肉外壳的底部，前导向轮固定座502与导轨10相对且前导向轮固定座502设置有弹性部件4的安装孔，弹性部件4的活动端与安装孔配合固定；优选地，利用深V轴承作为线驱动导向轮501，将线绳绕过轴承的V型凹槽处进行固定，将三个深V轴承利用栓接的方式固定在导向轮固定座的相应位置，第一轴承与第二轴承轴向平行且轴承呈阶梯式排布，第三轴承布置在前导向轮固定座502的底部，且第三轴承轴向与另两轴承轴向垂直布置，利用三个导向轮垂直与平行的排布改变线绳的走向，使得线绳的方向呈90°的改变，节约了整体人工肌肉的尺寸空间；三个导向轮501紧密的排布对线绳起到一定的张紧作用；同时为了确保轴承转动时的顺滑，本实施例优选地选用锥形垫片504固定轴承在轴向的位置，本领域技术人员可灵活选用轴承及垫片，以此来减小转动摩擦力，维持张紧力以提高传动效率；还可以根据实际需要灵活地设计驱动导向装置结构，这种对导向轮布置方式以、具体数量及结构的调整并不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。

接着参阅图6，图6是张紧机构结构示意图。如图6所示，利用导向轮与弹簧相结合，通过螺杆与螺母的螺旋配合使得弹簧伸缩带动导向轮移动以维持张紧力。具体地，将深V轴承601与锥形垫片602通过栓接的方式固定在张紧滑动件603上，在一些实施例中可以利用3D打印技术改变张紧滑动件603的粗糙度，以调整张紧滑动件603与人工肌肉外壳之间的滑动率，并将它与人工肌肉外壳对应的孔处进行轴孔配合利用相对滑动构成简易移动副；在张紧滑动件603位于人工肌肉外壳外部的一端插入张紧弹簧605，并通过垫片606压紧，之后将螺杆608与螺母607分别固定在张紧滑动件603中心的通孔和垫片606的外部，利用螺栓螺母的螺旋配合使得垫片606在轴向直线运动，从而压紧张紧弹簧605提供整个张紧机构的张紧力。将线绳绕过深V轴承并保持挤压的状态，使得整个线绳一直处于紧绷状态，从而一直可以进行力和长度的传递。

返回参照图1，本发明的人工肌肉模块还包括外部连接件，其用于为整个人工肌肉模块安装时工作使用，该外部连接件包括端点固定座14和M8螺栓13，其中端点固定座14通过栓接的方式固定在人工肌肉外壳内部对应的安装孔处，且与M8螺栓13头部配合栓接，M8螺栓13的螺杆端与气动肌腱11的螺纹连接端在整个人工肌肉模块安装时通过连接来工作使用。

下面结合图2详细说明本人工肌肉模块的工作原理。

参照图2，图2是本发明人工肌肉模块的一种结构示意图。如图2所示，在人工肌肉模块主动收缩时气动肌腱11与电机传动轴系为人工肌肉模块提供驱动力，电机传动轴系可带动线绳收线，线绳通过驱动导向模块5及张紧机构6构成的导轮组件与导向装置的移动部滑动线绳固定座7连接，且线绳收线时可带动滑动线绳固定座7移动，进而带动滑动固定座12移动，位移传感器8同步移动且实时测量位移，形成闭环反馈；在人工肌肉模块被动拉伸时，气动肌腱11与电机传动轴系均不提供驱动力，线绳放线，无法带动导向装置的移动部移动，此时弹性部件4为人工肌肉模块提供被动力，且随着拉伸长度的增加，弹性部件4提供的被动力增大，并且整个人工肌肉模块处于柔顺的拉伸状态，通过这样的设置保证了本发明人工肌肉模块工作状态在整个主动工作与被动拉伸时均与肌肉的实际变化情况一致，实现了还原肌肉的非线性特性。

参照图1-6，本发明基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块的工作原理为：将气动肌腱与驱动电机通过线绳和伸缩导向装置串联形成线驱动移动副，在人工肌肉模块处于主动收缩时利用气动肌腱和电机同时作用来提供驱动，通过驱动电机带动线绳的长度与气动肌腱收缩长度的组合来提供人工肌肉驱动装置的长度变化，从而模拟出力与长度的非线性关系；当人工肌肉模块处于被动拉伸时，弹性构件为人工肌肉模块提供被动力，且随着拉伸长度的增加，肌肉的被动力一直增加；通过上述设置，本发明的人工肌肉模块的工作状态在整个主动工作与被动工作时均与肌肉的变化情况一致，至此本发明很好的模拟了肌肉在工作时的非线性特性，利用气动肌腱与电机驱动的混合驱动方式提高了肌肉的灵活性及动作的精准性的同时，还保证了柔顺性，从而使装配此人工肌肉模块的机器人可以完成复杂且高精度的装配动作。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“中”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”、“对接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，其特征在于，所述人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；

所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，所述导向装置的固定部固设于所述本体结构件，所述导向装置的移动部与所述弹性部件连接；所述弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；

所述拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于所述本体结构件，所述柔性连接件与所述导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；

所述气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端。

2.根据权利要求1所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；所述离合装置设置于所述驱动电机和所述从动构件之间，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。

3.根据权利要求2所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述从动构件为线轮，所述驱动电机可以驱动所述线轮转动以收/放所述柔性连接件。

4.根据权利要求1所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述导向装置还包括装设于所述移动部的传感器，用于检测所述移动部位移量。

5.根据权利要求1所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述导向装置的固定部为直线型导轨，所述导向装置的移动部为与所述直线型导轨配合的滑块，所述气动肌腱的一端与所述滑块固定连接。

6.根据权利要求1所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述弹性部件为弹簧。

7.根据权利要求1-6任一项所述的人工肌肉模块，其特征在于，还包括导轮组件，所述柔性连接件通过所述导轮组件与所述导向装置的移动部连接。

8.根据权利要求7所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述导轮组件包括驱动导向模块；

所述驱动导向模块包括第一导向轮组、第二导向轮组、导向轮固定结构件；所述第一导向轮组、第二导向轮组的转动面垂直设置在导向轮固定结构件上。

9.根据权利要求8所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述导轮组件还包括张紧机构，所述张紧机构包括第三导向轮组、弹性构件；所述弹性构件与第三导向轮组相配合以维持柔性连接件张紧度。

10.根据权利要求9所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述第一导向轮组、所述第二导向轮组、所述第三导向轮组中的导向轮均为深V轴承。