CN111660286A - 气动人工肌肉纤维和仿生机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气动人工肌肉纤维和仿生机械臂，其中仿生机械臂，包括人工肌肉驱动组、上臂、前臂和肘关节包覆装置。上臂与前臂可转动连接，上臂与前臂的转动连接处形成肘关节。肘关节包覆装置包覆肘关节。人工肌肉驱动组的一端固定在上臂上，另一端固定在前臂上。前臂在人工肌肉驱动组的驱动下绕着肘关节转动或扭动。人工肌肉驱动组包括若干个气动人工肌肉束。本发明的仿生机械臂使用气动人工肌肉束进行驱动，具有变刚度的功能。在与其它物体发生碰撞时，由于气动人工肌肉束的柔性特点，碰撞时会卸除一部分碰撞力，提高了人机交互的安全性。组成气动人工肌肉束的气动人工肌肉纤维由柔性材料和尼龙制造而成，减轻了仿生机械臂的重量。

Description

气动人工肌肉纤维和仿生机械臂

技术领域

本发明涉及仿生机械臂设计领域，特别涉及一种气动人工肌肉纤维和仿生机械臂。

背景技术

制造业中的生产活动离不开机器人，机器人中应用较为广泛的就是工业机械臂。工业机械臂定位精度高、负载大、速度快，常用于流水线生产中的焊接、喷涂、装配、货物分拣等。然而，现有的工业机械臂，其主体大都有金属材料制造而成，这样会导致整个机械臂的重量大。并且现有的工业机械臂是刚性驱动，工作过程中不小心产生碰撞时，产生的碰撞力较大且无法卸除，人机交互时存在安全隐患。随着生产制造的不断进步，人们对机械臂的需求也在不断变化。生产制造活动中更需要类似于自然界中的一些“手臂”，比如乌贼的触手、大象的鼻子、人的手臂等，这些“手臂”具有许多传统工业机械臂无法比拟的特点，例如高功率密度、高灵活性、高安全性、鲁棒性(鲁棒性的英文是robustness，是指系统或产品的稳健性或稳定性，在系统或产品遇到某种干扰时，其工作性能也能保持稳定)等。在灾难救援、太空探索、医疗康复和人机交互等领域，也需要具备上述类似于自然界中的“手臂”。

发明内容

本发明的目的是提供一种气动人工肌肉纤维和仿生机械臂，可以解决上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明公开一种气动人工肌肉纤维，包括硅胶管和纤维层，所述的硅胶管为中空圆筒，其一端封闭，另一端连接外部气源；所述的纤维层由若干个纤维环组成，所述纤维环无空隙且均匀嵌入在硅胶管的层内，并且纤维环与硅胶管黏连；所述的纤维层的材质比所述的硅胶管的材质硬度大。

第二方面，本发明公开一种仿生机械臂，包括人工肌肉驱动组、上臂、前臂和肘关节包覆装置；上臂与前臂实现三自由度的转动连接，上臂与前臂的转动连接处形成肘关节；肘关节包覆装置包覆肘关节；人工肌肉驱动组的一端固定在上臂上，另一端固定在前臂上；前臂在人工肌肉驱动组的驱动下绕着肘关节转动或扭动；所述的人工肌肉驱动组包括若干个气动人工肌肉束，所述的气动人工肌肉束包括至少一根气动人工肌肉纤维。

进一步地，所述的气动人工肌肉束两两交叉排列，所有气动人工肌肉束均匀分布在上臂和前臂外围。

进一步地，上臂包括上臂人工肌肉夹持器、上臂主体和滚珠；上臂人工肌肉夹持器固定安装在上臂主体上，用于将气动人工肌肉驱动组与上臂主体的一端固定连接；上臂主体的另一端与前臂转动连接；上臂主体的另一端呈碗状凹陷，碗状凹陷内嵌有滚珠。

进一步地，上臂人工肌肉夹持器包括螺栓、底座、压紧盖和成套的螺栓螺母；螺栓为若干个，均匀地分布在底座上，使用螺栓将底座固定于上臂主体外侧；压紧盖有若干个并两两一组均匀地分布在底座上，通过成套的螺栓螺母将压紧盖固定在底座上；气动人工肌肉束置于压紧盖和底座之间。

进一步地，所述前臂包括前臂球端和前臂主体；前臂主体为圆柱形的杆件，前臂球端呈球状；前臂球端安装到上臂主体另一端的呈碗状凹陷内，通过上臂滚珠与上臂主体转动连接；气动人工肌肉束与前臂主体固定连接。

进一步地，肘关节包覆装置包括仿韧带薄膜和肘关节人工肌肉夹持器；仿韧带薄膜两端分别通过粘合剂无缝环周粘接至上臂和前臂，将肘关节包裹在内；肘关节人工肌肉夹持器环绕于仿韧带薄膜外侧并与仿韧带薄膜固定连接。

进一步地，所述的仿韧带薄膜由弹性体材料制成，外侧设置有褶皱带。

进一步地，所述的肘关节人工肌肉夹持器的外围设有若干个凹槽，所述凹槽用于放置气动人工肌肉束；气动人工肌肉束可以在凹槽内自由滑动。

本发明的有益效果在于：

本发明的仿生机械臂结构简单、整机质量轻、成本较低。该机械臂主体材料使用硬度较大的树脂即可达到机械臂的刚度要求。气动人工肌肉纤维使用硅橡胶材料制成，具有较大的能量密度，柔顺性高。硬度较大的树脂和硅橡胶材料相对于金属质量较轻，因此减轻了机械臂的整机质量，并且降低了成本。

本发明的仿生机械臂使用气动人工肌肉束进行驱动，在与其它物体发生碰撞时，由于气动人工肌肉束的柔性特点，前臂3在碰撞的作用力下会有沿着力的方向产生位移，卸除一部分碰撞力，使得碰撞变得更“温柔”，提高了人机交互的安全性。并且组成气动人工肌肉束的气动人工肌肉纤维是由硅橡胶等弹性体材料和尼龙制造而成，减轻了仿生机械臂的重量。

本发明的仿生机械臂使用单个肘关节多自由度的设计，结构紧凑，体积小，转动范围较大，具有高度的灵活性。并且与人的手臂的结构和驱动方式相近，仿生性好。

本发明的仿生机械臂可以串联使用，每个仿生机械臂的肘关节相互独立，多个肘关节串联可以实现更大的运动范围。

本发明的仿生机械臂可根据待执行的不同任务，通过改变驱动气压可以动态调节机械臂的刚度，实现刚柔并济。

本发明的仿生机械臂的力学特性与生物肌肉类似，其具有的上述特点是它区别于电磁电机的最大的优势，使其在工业自动化、人机协作、外骨骼机器人、医疗康复、灾难救援等多个领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的气动人工肌肉纤维的结构示意图；

图2为本发明的仿生机械臂的结构示意图；

图3为本发明的仿生机械臂的俯视图；

图4为本发明的仿生机械臂的剖视图。

附图标记说明如下：

1：人工肌肉驱动组，11/12/13/14/15/16：气动人工肌肉束,2：上臂，21：上臂人工肌肉夹持器，211：螺栓，212：底座，213：压紧盖，214：成套的螺栓螺母，22：上臂主体，23：滚珠，3：前臂，31：前臂球端，32：前臂主体，4：肘关节包覆装置，41：仿韧带薄膜，42：肘关节人工肌肉夹持器，421：凹槽，71：硅胶管，72：纤维层。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的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申请保护范围的限制。

下面结合附图对本发明的气动人工肌肉束和仿生机械臂进一步详细说明。

本发明公开一种气动人工肌肉纤维，主要由硅橡胶材料和尼龙织物材料制成，如图1所示，包括硅胶管71和纤维层72。

硅胶管71全部由硅橡胶材料制成，也可使用其他弹性体材料替代。其结构为一中空圆筒，一端封闭，另一端开口，开口可与外界气源或气泵连接。当对其进行充气时，硅胶管71会在内部压力的作用下产生膨胀的趋势。

纤维层72由多个纤维环无空隙且均匀嵌入在硅胶管71的层内。纤维环由尼龙纤维或类似材料构成，厚度较薄。尼龙纤维相比于硅橡胶材料硬度较大。纤维环嵌入在硅胶管71管壁层内，并且纤维环与硅胶管71黏连。在硅胶管71膨胀时，纤维层72会限制其径向膨胀，使其沿轴向产生膨胀的趋势。图1中左边是气动人工肌肉纤维在自然状态下的结构示意图，中间是充气后产生膨胀的结构示意图，右边是局部放大图。

将本发明的气动人工肌肉纤维先借助外力预拉伸一定长度，其两端承受拉力。向硅胶管71中充气后，气动人工肌肉纤维在内部气压的作用下向两端延伸，两端的拉力显著减小。基于气动人工肌肉纤维的这个特点，可以将多根气动人工肌肉纤维拮抗式布置在机械手或机器人的关节周围。所谓拮抗式，即当一根根气动人工肌肉纤维收紧，另一根释放，对应关节向收紧的方向转动或扭动。充气前后拉力的改变可引起气动人工肌肉纤维长度的改变。长度短的一侧的气动人工肌肉纤维拉动长度长的一侧的气动人工肌肉纤维，在气动人工肌肉纤维拉力的作用下，导致机械手或机器人在关节处向着气动人工肌肉纤维长度短的一侧转动，达到驱动关节转动的效果。

需要说明的是，将多根气动人工肌肉纤维以特定方式组合成一个气动人工肌肉束，当其中一根气动人工肌肉纤维因操作不当或其他问题导致无法正常工作时，其他气动人工肌肉纤维也能正常工作。这样可以增强气动人工肌肉束的鲁棒性。气动人工肌肉纤维使用硅橡胶材料制成，硅橡胶材料具有较大的能量密度，柔顺性高。

本发明公开一种仿生机械臂，其结构示意图如图2所示，包括：人工肌肉驱动组1、上臂2、前臂3和肘关节包覆装置4。上臂2与前臂3可转动连接，上臂2与前臂3的转动连接处形成肘关节。肘关节包覆装置4包覆肘关节。人工肌肉驱动组1的一端固定在上臂2上，另一端固定在前臂3上。前臂3在人工肌肉驱动组1的驱动下绕着肘关节转动。

具体地，人工肌肉驱动组1包括若干个气动人工肌肉束。为了方便说明，本实施例的人工肌肉驱动组1包括6个气动人工肌肉束，分别为图2中的11、12、13、14、15、16。气动人工肌肉束11和气动人工肌肉束12交叉排列后，气动人工肌肉束11的一端和气动人工肌肉束12的一端固定在上臂2上，气动人工肌肉束11的另一端和气动人工肌肉束12的另一端固定在前臂3上。同样的，气动人工肌肉束13/14/15/16的连接方式均与气动人工肌肉束11和气动人工肌肉束12相同。6个人工肌肉束均与地分布在上臂2和前臂3的外围。

本实施例的气动人工肌肉束的个数并不用于限定本发明。需要说明的是，每个气动人工肌肉束可由单根或多根上述的气动人工肌肉纤维构成。气动人工肌肉纤维的数量越多，气动人工肌肉束的仿生性和鲁棒性越好。气动人工肌肉束经过预拉伸后两端分别固定于上臂2和前臂3上，用于驱动上臂2绕着肘关节转动。气动人工肌肉束的优点是当前臂3与其他物体发送碰撞时，由于气动人工肌肉束本身柔性的特点，碰撞时可以发生大尺度的弹性形变，不容易超出形变极限而导致结构毁坏。有些类似于人类的手碰到其他物体会自然缩回。仿生机械臂也具有这样的有点，即使发生碰撞，由于气动人工肌肉束柔性特点，前臂3在碰撞的作用力下会有沿着力的方向产生位移，在相同冲量的情形下，提高接触时长，减小冲击力，提高了人机交互的安全性。气动人工肌肉束充气气压越小，柔性越好；充气气压越大，刚性越好。实际使用中可以根据需要调节充气气压，从而动态地控制仿生机械臂的刚柔性。

具体地，作为本发明的一种实施方式，上臂2包括上臂人工肌肉夹持器21、上臂主体22和滚珠23。其中，上臂人工肌肉夹持器21固定安装在上臂主体22上，用于将气动人工肌肉驱动组1与上臂主体22的一端固定连接。上臂人工肌肉夹持器21包括螺栓211、底座212、压紧盖213和螺栓螺母214。螺栓螺母214本身为成套的螺栓和螺母的组合。螺栓211为若干个，均匀地分布在底座212上，使用螺栓211将底座212压紧固定于上臂主体22外侧。压紧盖213有若干个。每两个压紧盖213为一组。每组压紧盖213均匀地分布在底座212上。成套的螺栓螺母214将每组压紧盖213固定在底座212上。气动人工肌肉束的一端放置于压紧盖213和底座212之间。当成套的螺栓螺母214的被拧紧，压紧盖213夹紧在底座212上时，气动人工肌肉束就固定在上臂人工肌肉夹持器21上。上臂主体22为一圆柱体的杆。上臂主体22的另一端与前臂3转动连接。上臂主体22另一端呈碗状凹陷，碗状凹陷内嵌有滚珠23，用于减小上臂2和前臂3之间转动时产生的摩擦力。

需要说明的是，上臂人工肌肉夹持器21可以用其他方式将气动人工肌肉驱动组1和上臂2连接。本申请仅公开了其中的一种连接方式，但保护范围不应局限于这一种连接方式。使用本领域的其他夹持方式对上臂人工肌肉夹持器21进行替换，都落入本发明的保护范围之内。上臂主体22采用硬度较大的树脂通过3D打印、模具或其他本领域通用的生产方式制造而成。树脂的使用减轻了仿生机械臂的重量，而且树脂较金属材料的成本低。

具体地，所述前臂3包括前臂球端31和前臂主体32。其中前臂主体32为圆柱形的杆件。前臂球端31呈球状，通过上臂滚珠23与上臂主体22另一端转动连接。气动人工肌肉束的另一端与前臂主体32固定连接。需要说明的是，气动人工肌肉束的另一端与前臂主体32的固接方式不做具体限定，只要能将气动人工肌肉束的另一端固定在前臂3上即可。本实施例采用粘接的固接方式，但保护的内容包括但不限于该连接方式。前臂球端31和前臂主体32采用硬度较大的树脂通过3D打印、模具或其他本领域通用的生产方式制造而成。树脂的使用减轻了仿生机械臂的重量，而且树脂相对于金属材料的成本低。

具体的，作为本发明的一种实施方式，如图4所示，肘关节包覆装置4包括仿韧带薄膜41和肘关节人工肌肉夹持器42。其中，仿韧带薄膜41的形状为两端开口的腰鼓形圆筒，由可拉伸、气密性好的弹性体材料制成，具备一定的弹力和密封性。仿韧带薄膜41两端分别通过粘合剂无缝环周粘接至上臂2和前臂3，并将肘关节包裹在内。仿韧带薄膜41的灵感来自于人体的韧带薄膜，用于加强上臂2和前臂3接触部分的连接强度，必要时可在内部抽真空或充入液体，以免上臂2和前臂3出现错位和松动。优选的，仿韧带薄膜41可在制备时在外侧设计少许褶皱带，以降低前臂3转动时，仿韧带薄膜41拉伸所带来的阻力。肘关节人工肌肉夹持器42环绕于仿韧带薄膜41外侧并用粘结的方式固定。优选的，肘关节人工肌肉夹持器42的外围设有若干个凹槽421，凹槽421用于放置气动人工肌肉束。气动人工肌肉束可以在凹槽421内自由滑动。肘关节人工肌肉夹持器42用于支撑和限定气动人工肌肉束的滑动位置。气动人工肌肉束只与凹槽421的内槽表面接触，只在凹槽421的范围内滑动，防止气动人工肌肉束直接贴合在仿韧带薄膜41上出现过大的滑动错位，影响驱动效果。

本发明的仿生机械臂的工作原理说明如下：

给气动人工肌肉束11和气动人工肌肉束12同时充气直至两者内部气压相同，而另外四根气动人工肌肉束不充气。此时气动人工肌肉束11、12在内部气压的作用下延伸拉长，气动人工肌肉束11和气动人工肌肉束12所在的一侧的拉力较小，前臂3会绕着肘关节向气动人工肌肉束11/12的反方向摆动。同理，当气动人工肌肉束13和气动人工肌肉束14、或气动人工肌肉束15和气动人工肌肉束16同时充气至内部气压相同，而其余四根气动人工肌肉束不进行充气时，前臂3会绕着肘关节向充气的气动人工肌肉束所在的一侧的反方向摆动。而且摆动的幅度与充气气压近似成正比。

当气动人工肌肉束12/14/16同时充气至内部气压相同，气动人工肌肉束11/13/15不充气时，由于气动人工肌肉束12/14/16对前臂3产生的扭动力矩减小，所以前臂3会相对于上臂2顺时针扭动，且转动的幅度与充气气压近似成正比。相反，当气动人工肌肉束11/13/15同时充气至内部气压相同，气动人工肌肉束12/14/16不充气，由于气动人工肌肉束11/13/15对前臂3产生的扭动力矩减小，所以前臂3会相对于上臂2逆时针扭动。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.气动人工肌肉纤维，其特征在于，包括硅胶管和纤维层，所述的硅胶管为中空圆筒，其一端封闭，另一端连接外部气源；所述的纤维层由若干个纤维环组成，所述纤维环无空隙且均匀嵌入在硅胶管的层内，并且纤维环与硅胶管黏连；所述的纤维层的材质比所述的硅胶管的材质硬度大。

2.仿生机械臂，其特征在于，包括人工肌肉驱动组、上臂、前臂和肘关节包覆装置；上臂与前臂实现三自由度的转动连接，上臂与前臂的转动连接处形成肘关节；肘关节包覆装置包覆肘关节；人工肌肉驱动组的一端固定在上臂上，另一端固定在前臂上；前臂在人工肌肉驱动组的驱动下绕着肘关节转动或扭动；所述的人工肌肉驱动组包括若干个气动人工肌肉束，所述的气动人工肌肉束包括至少一根气动人工肌肉纤维。

3.根据权利要求2所述的仿生机械臂，其特征在于，所述的气动人工肌肉束两两交叉排列，所有气动人工肌肉束均匀分布在上臂和前臂外围。

4.根据权利要求2所述的仿生机械臂，其特征在于，上臂包括上臂人工肌肉夹持器、上臂主体和滚珠；上臂人工肌肉夹持器固定安装在上臂主体上，用于将气动人工肌肉驱动组与上臂主体的一端固定连接；上臂主体的另一端与前臂转动连接；上臂主体的另一端呈碗状凹陷，碗状凹陷内嵌有滚珠。

5.根据权利要求4所述的仿生机械臂，其特征在于，上臂人工肌肉夹持器包括螺栓、底座、压紧盖和成套的螺栓螺母；螺栓为若干个，均匀地分布在底座上，使用螺栓将底座固定于上臂主体外侧；压紧盖有若干个并两两一组均匀地分布在底座上，通过成套的螺栓螺母将压紧盖固定在底座上；气动人工肌肉束置于压紧盖和底座之间。

6.根据权利要求2所述的仿生机械臂，其特征在于，所述前臂包括前臂球端和前臂主体；前臂主体为圆柱形的杆件，前臂球端呈球状；前臂球端安装到上臂主体另一端的呈碗状凹陷内，通过上臂滚珠与上臂主体转动连接；气动人工肌肉束与前臂主体固定连接。

7.根据权利要求2所述的仿生机械臂，其特征在于，肘关节包覆装置包括仿韧带薄膜和肘关节人工肌肉夹持器；仿韧带薄膜两端分别通过粘合剂无缝环周粘接至上臂和前臂，将肘关节包裹在内；肘关节人工肌肉夹持器环绕于仿韧带薄膜外侧并与仿韧带薄膜固定连接。

8.根据权利要求7所述的仿生机械臂，其特征在于，所述的仿韧带薄膜由弹性体材料制成，外侧设置有褶皱带。

9.根据权利要求7所述的仿生机械臂，其特征在于，所述的肘关节人工肌肉夹持器的外围设有若干个凹槽，所述凹槽用于放置气动人工肌肉束；气动人工肌肉束可以在凹槽内自由滑动。

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