CN111906814B - 一种由柔性驱动器驱动的膝关节 - Google Patents
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Abstract
一种由柔性驱动器驱动的膝关节属仿生机器人技术领域，本发明中仿生股骨和仿生胫骨上下排列，仿交叉韧带位于仿生股骨的仿生股骨髁和仿生胫骨的仿生胫骨髁之间，仿生股骨和仿生胫骨各有两对仿生肌肉对，仿生肌肉连接在仿生肌腱处并与固定环固定，本发明将超螺旋镀银尼龙纤维集成于一个驱动单元应用于膝关节，螺旋镀银尼龙纤维采用电热驱动收缩，可实现高响应、无滞后、易控的线性收缩，同时采用去离子水以及半导体制冷的快速制冷效果，能实现柔性驱动器的高频率驱动；本发明将螺旋镀银尼龙纤维、去离子水、半导体制冷设备集成在一个小型硅胶中，并采用磁流体密封设备对去离子水进行密封，能极好地将柔性驱动器运用到膝关节处。
Description
技术领域
本发明属仿生机器人技术领域，具体涉及一种由柔性驱动器驱动的膝关节。
背景技术
信息技术、新材料技术和生物技术被称为世纪的关键技术，随着人类社会进入21世纪，机器人已成为具有代表性的高技术研究课题。随着仿生技术的快速发展，仿生机器人获得了快速发展并在社会的多个领域被广泛应用。近年来，各个领域对机器人的承载能力强、稳定性好、结构简单、易于控制、智能化、创新性、安全性等提出了更高的要求。目前，机器人执行机构的驱动器主要采用液压缸、气缸、电机等，这使得机器人有着体积庞大、重量大、刚度高、结构复杂等特点，不适合与人的直接接触，在与人交互操作时，有可能对人造成伤害，尤其在康复医疗、服务等领域中，人们期待机器人拥有较好的柔性及安全性。因此，具有柔性的驱动器受到了广泛关注，成为了研究的重点。
首先是电活性聚合物EAP致动器是众所周知的人造肌肉，主要由电能驱动。它主要分为干的和湿的。虽然EAP执行器表现出类似肌肉的特性，但干式执行器需要相对较高的电压才能执行。相反，湿式驱动器虽然驱动电压较低，但其驱动力太弱。气动人工肌肉最近几年引起了研究者的兴趣。它们是由网状或纤维增强的弹性管组成的。由于它们的驱动是利用压缩空气产生的，因此需要气室、泵和阀门等辅助部件。形状记忆合金是一种由热能驱动的致动器。它们在应变和受力方面表现出良好的性能，然而，驱动速度低、滞环大、控制困难是其主要缺点。近年来出现了一种新型的超螺旋聚合物人工肌肉，一种基于聚合物纤维(尼龙等)扭转后螺旋卷绕而成的新型人工肌肉，其迟滞小、寿命长、变形量大、能量密度高且成本低，在柔性驱动技术领域具有广阔的应用前景。
发明内容
由镀银尼龙纤维复丝缠绕成的人工肌肉可以通过5HZ下电热驱动，在提升22Mpa负载下产生约10％的行程，但是目前这种肌肉没有一种很好的集成冷却方式来直接应用到机器人关节处，本发明设计了一种由柔性驱动器驱动的膝关节，主要提出了一种可以将半导体制冷结合水冷来对超螺旋聚合物的人工肌肉进行冷却的方法，这种制冷方式不像水冷那种需要水泵、水缸、水管等复杂的制冷结构，本发明首先用水冷来对电热驱动的仿生肌肉制冷，液态水集中密封在硅胶管中，然后采用半导体制冷方式对液态水进行制冷，可以做成小型集成的人工肌肉，减小迟滞性，同时可以运用到多种关节处。
本发明由仿生股骨A、仿生胫骨B、仿交叉韧带C、柔性驱动器D组成，其中仿生股骨A和仿生胫骨B上下排列，仿交叉韧带C位于仿生股骨A的仿生股骨髁29和仿生胫骨B的仿生胫骨髁38之间。
仿交叉韧带C中前轴承14外圈与仿生胫骨B中前孔52过盈连接；仿交叉韧带C中后轴承16外圈与仿生胫骨B中后孔37过盈连接；仿交叉韧带C中左轴承15外圈与仿生股骨A中左孔28过盈连接；仿交叉韧带C中右轴承17外圈与仿生股骨A中右孔25过盈连接。
柔性驱动器D中前仿生肌肉对I的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对22的环对Ⅰ23、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中后仿生肌腱组件21的轴Ⅰ20活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中前法兰组件E的前轴3活动连接。柔性驱动器D中后仿生肌肉对J的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对30的环对Ⅱ32、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中前仿生肌腱组件34的轴Ⅱ35活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中后法兰组件G的后轴9活动连接。柔性驱动器D中右仿生肌肉对K的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中右法兰组件H的右轴6活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中左固定环对39的环对Ⅲ41、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中左仿生肌腱组件43的轴Ⅳ44活动连接。柔性驱动器D中左仿生肌肉对L的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中左法兰组件F的左轴12活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中右固定环对49的环对Ⅳ51两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中右仿生肌腱组件47的轴Ⅲ48活动连接。
所述的仿生股骨A由仿生股骨柱18、后仿生肌腱组件21、前仿生肌腱组件34、后固定环对22、前固定环对30、仿生股骨髁29、左法兰组件F和右法兰组件H组成，其中后仿生肌腱组件21由仿生肌腱组Ⅰ19的三条仿生肌腱和轴Ⅰ20组成，三条仿生肌腱前端经轴Ⅰ20固接。
前仿生肌腱组件34由仿生肌腱组Ⅱ33的三条仿生肌腱和轴Ⅱ35组成，三条仿生肌腱后端经轴Ⅱ35固接；后固定环对22由杆对Ⅰ24和环对Ⅰ23组成，杆对Ⅰ24前端与环对Ⅰ23后端固接；前固定环对30由杆对Ⅱ31和环对Ⅱ32组成，杆对Ⅱ31后端与环对Ⅱ32前端固接；仿生股骨柱18为圆柱形。后仿生肌腱组件21经其仿生肌腱组Ⅰ19后端固接于仿生股骨柱18前侧上部；前仿生肌腱组件34经其仿生肌腱组Ⅱ33前端固接于仿生股骨柱18后侧上部；后固定环对22经其杆对Ⅰ24后端固接于仿生股骨柱18前侧下部；前固定环对30经其杆对Ⅱ31前端固接于仿生股骨柱18后侧下部；仿生股骨髁29为口朝下的圆弧形，仿生股骨髁29上设有左孔28、左螺纹孔组27、右孔25、右螺纹孔组26。
左法兰组件F由左法兰盘10、左连杆组11和左轴12组成，其中左连杆组11的三根连杆左端经左轴12固接，三根连杆右端与左法兰盘10左端固接；右法兰组件H由右法兰盘4、右连杆组5和右轴6组成，其中右连杆组5的三根连杆右端经右轴6固接，三根连杆左端与右法兰盘4右端固接；左法兰组件F的左法兰盘10右面固接于仿生股骨髁29的左孔28左面；右法兰组件H的右法兰盘4左面固接于仿生股骨髁29的右孔25右面。
仿生股骨柱18下端固接于仿生股骨髁29上端。
所述的仿生胫骨B由仿生胫骨髁38、右仿生肌腱组件47、左仿生肌腱组件43、右固定环对49、左固定环对39、仿生胫骨髁38、前法兰组件E和后法兰组件G组成，其中仿生胫骨柱45为圆柱形。
右仿生肌腱组件47由仿生肌腱组Ⅲ46和轴Ⅲ48组成，仿生肌腱组Ⅲ46左端经轴Ⅲ48固接；左仿生肌腱组件43由仿生肌腱组Ⅳ42和轴Ⅳ44组成，仿生肌腱组Ⅳ42右端经轴Ⅳ44固接；左固定环对39由杆对Ⅲ50和环对Ⅳ51组成，杆对Ⅲ50左端与环对Ⅳ51右端固接；左固定环对39由杆对Ⅳ40和环对Ⅲ41组成，杆对Ⅳ40右端与环对Ⅲ41左端固接；右仿生肌腱组件47经其仿生肌腱组Ⅲ46右端固接于仿生胫骨柱45左侧下部；左仿生肌腱组件43经其仿生肌腱组Ⅳ42左端固接于仿生胫骨柱45右侧下部；右固定环对49经其杆对Ⅲ50右端固接于仿生胫骨柱45左侧上部；左固定环对39经其杆对Ⅳ40左端固接于仿生胫骨柱45右侧上部。
仿生胫骨髁38为口朝上的圆弧形，仿生胫骨髁38上设有前孔52、前螺纹孔组53、后孔37和后螺纹孔组36。
前法兰组件E由前法兰盘1、前连杆组2和前轴3组成，其中前连杆组2的三根连杆前端经前轴3固接，三根连杆后端与前法兰盘1前端固接；后法兰组件G由后法兰盘7、后连杆组8和后轴9组成，其中后连杆组8的三根连杆后端经后轴9固接，三根连杆前端与后法兰盘7后端固接；前法兰组件E的前法兰盘1后面固接于仿生胫骨髁38的前孔52前面；后法兰组件G的后法兰盘7前面固接于仿生胫骨髁38的后孔37后面；仿生胫骨柱45上端固接于仿生胫骨髁38下端。
所述的仿交叉韧带C由十字轴13、前轴承14、左轴承15、后轴承16和右轴承17组成，其中前轴承14内圈与十字轴13前端过盈连接；左轴承15内圈与十字轴13左端过盈连接；后轴承16内圈与十字轴13后端过盈连接；右轴承17内圈与十字轴13右端过盈连接。
当柔性驱动器中的前仿生肌肉对I和后仿生肌肉对J相互作为原动肌和拮抗肌来驱动仿生股骨A运动时，柔性驱动器中的右仿生肌肉对K和左仿生肌肉对L作为协同肌和固定肌工作；同时柔性驱动器中的将与右仿生肌肉对K对应的前轴承14和左仿生肌肉对L对应的后轴承16锁死，左轴承15和右轴承17沿轴向转动，实现膝关节的弯曲运动；并通过柔性驱动器中的右仿生肌肉对K和左仿生肌肉对L来实现自锁功能。
所述的柔性驱动器D由各有两个仿生肌肉的前仿生肌肉对I、后仿生肌肉对J、右仿生肌肉对K和左仿生肌肉对L组成，每个仿生肌肉的结构完全相同，均由带环连接线Ⅰ54、超螺旋镀银尼龙纤维55、帽Ⅰ56、半导体制冷件组ⅠN、半导体制冷件组ⅡP、上磁流体密封组件O、下磁流体密封组件M、硅胶管58、去离子水68、帽Ⅱ63和带环连接线Ⅱ64组成，上磁流体密封组件O和下磁流体密封组件M实现了对硅胶管58的去离子水68密封作用，由于超螺旋镀银尼龙纤维55作为仿生肌肉是实现上下收缩来驱动的作用，因此采用的是液体密封方式，降低超螺旋镀银尼龙纤维55的阻抗，同时，采用半导体制冷件组ⅠN和半导体制冷件组ⅡP对硅胶管58的去离子水68实现整体的一个冷却作用，硅胶管58的去离子水68对仿生肌肉中的超螺旋镀银尼龙纤维55进行冷却；这样的设计方式不但将由超螺旋镀银尼龙纤维55组成的人工肌肉做成一个小的单元，同时很大提高了人工肌肉的工作频率。
硅胶管58中部为内圆外方形86，硅胶管58上下两端为圆形Ⅰ85和圆形Ⅱ87。
帽Ⅰ56由上盖80、主管Ⅰ79、旁管Ⅰ69和侧盖Ⅰ57组成，上盖80上设有孔Ⅰ81，上盖80固接于主管Ⅰ79上端，旁管Ⅰ69固接于主管Ⅰ79一侧，且相互连通，旁管Ⅰ69和侧盖Ⅰ57固接；帽Ⅱ63由下盖84、主管Ⅱ82、旁管Ⅱ70和侧盖Ⅱ62组成，下盖84上设有孔Ⅱ83，下盖84固接于主管Ⅱ82下端，旁管Ⅱ70固接于主管Ⅱ82一侧，且相互连通，旁管Ⅱ70和侧盖Ⅱ62固接；帽Ⅰ56和帽Ⅱ63均为橡胶材质，帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63自上而下顺序排列并固接。
半导体制冷件组ⅠN由半导体制冷片Ⅰ65、散热片Ⅰ66和风扇Ⅰ67组成，散热片Ⅰ66的两侧分别与半导体制冷片Ⅰ65和风扇Ⅰ67用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ65的另一侧与硅胶管58中的内圆外方形86采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ65和风扇Ⅰ67分别由引线与外部电源连接；半导体制冷件组ⅡP由半导体制冷片Ⅱ59、散热片Ⅱ60和风扇Ⅱ61组成，散热片Ⅱ60的两侧分别与半导体制冷片Ⅱ59和风扇Ⅱ61用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ59的另一侧与硅胶管58中的内圆外方形86采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ59和风扇Ⅱ61分别由引线与外部电源连接。
上磁流体密封组件O由上永磁体78、上密封圈76、上导磁体75和上磁流体77组成，其中上磁流体密封组件O的上永磁体78和上导磁体75上下固接，并置于帽Ⅰ56的主管Ⅰ79内，且上导磁体78的下平面与帽Ⅰ56的旁管Ⅰ69上端线平齐；上磁流体密封组件O的上导磁体78经上密封圈76与帽Ⅰ56的主管Ⅰ79内圈密封连接；上磁流体密封组件O中的上磁流体77与超螺旋镀银尼龙纤维55的上部磁流体密封；上磁流体密封组件O中上磁流体77填充于上导磁体75内；下磁流体密封组件M由下永磁体71、下密封圈73、下导磁体72和下磁流体74组成，其中下磁流体密封组件M的下导磁体72和下永磁体71上下固接，并置于帽Ⅱ63的主管Ⅱ82内，且下导磁体72的上平面与帽Ⅱ63的旁管Ⅱ70下端线平齐；下磁流体密封组件M的下导磁体72经下密封圈73与帽Ⅱ63的主管Ⅱ82内圈密封连接；下磁流体密封组件M中的下磁流体74与超螺旋镀银尼龙纤维55的下部磁流体密封；下磁流体密封组件M中下磁流体74填充于下导磁体72内。
带环连接线Ⅰ54、超螺旋镀银尼龙纤维55和带环连接线Ⅱ64自上而下排列，并顺序固接，其中超螺旋镀银尼龙纤维55位于帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63固接后形成的空间纵轴线中心，超螺旋镀银尼龙纤维55近上端与帽Ⅰ56中上盖80的孔Ⅰ81滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维55近下端与帽Ⅱ63中下盖84的孔Ⅱ82滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维55上下端分别与引线连接，并通过帽Ⅰ56中上盖80的孔Ⅰ81和帽Ⅱ63中下盖84的孔Ⅱ82与外接电源连接；去离子水68填充于帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63中上磁流体77和下磁流体74之间的空间；硅胶管58中的去离子水68上下两侧由上磁流体77和下磁流体74密封，左右两侧有侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62密封，并能通过侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62进行去离子水68更换；硅胶管58中的去离子水68上下两端由上磁流体77和下磁流体74密封，去离子水68一侧由侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62密封，并能通过侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62进行去离子水68更换。
本发明的工作过程如下：
当膝关节需要运动弯曲像正常下肢进行行走时，首先根据超螺旋镀银尼龙纤维55的长度，以5V/CM电压接通，通过控制模块设置电源的频率为5HZ；同时将前仿生肌肉对I和后仿生肌肉对J中的半导体制冷件组ⅠN和半导体制冷件组ⅡP通上5V的的电压，使其处于工作状态；将柔性驱动器D中前仿生肌肉对I中的超螺旋镀银尼龙纤维55连接引线所对应的电源模块打开，前仿生肌肉对I在通电150ms，超螺旋镀银尼龙纤维55会收缩如图17，于此同时将后仿生肌肉对J对应的电源模块断开前仿生肌肉对I作为原动肌会对仿生股骨A产生一个拉力促使仿生股骨A弯曲，此时的后仿生肌肉对J作为拮抗肌；150ms后，前仿生肌肉对I的电源断开并对后仿生肌肉对J通电，同时由于去离子水68和半导体制冷组件M、N的作用,膝关节能在50ms实现直立的状态，前仿生肌肉对I的超螺旋镀银尼龙纤维55会伸长为初始状态如图16；右仿生肌肉对K和左仿生肌肉L对作为固定肌作用，实现膝关节直立时的自锁，在200ms内，膝关节就可以完成整个的弯曲、直立的往复运动。此时，膝关节会以5HZ的频率行走。
若是要实现膝关节的爬坡或者上楼梯等类型的运动方式，根据超螺旋镀银尼龙纤维55的长度，以8V/CM电压接通，通过控制模块设置电源的频率为2HZ；同时将前仿生肌肉对I和后仿生肌肉对J中的半导体制冷件组ⅠN和半导体制冷件组ⅡP通上5V的的电压，膝关节的整个运动过程也如上所述，可以实现膝关节爬坡或者上楼梯等运动。
当前仿生肌肉对I和后仿生肌肉对J分别相互作为原动肌和拮抗肌时，右仿生肌肉对K和左仿生肌肉L作为固定肌，实现膝关节的自锁；右仿生肌肉对K和左仿生肌肉L作为固定肌同样可以相互作为原动肌和拮抗肌，前仿生肌肉对I和后仿生肌肉对J作为固定肌，实现膝关节的自锁。
本发明的有益效果在于：
1.本发明结构简单，便于制作，且可在5HZ情况下实现人工肌肉的往复运动，实现高响应、低迟滞性的效果，同时能实现15％左右的变形量，可驱动4kg左右的负载。
2.本发明设计了将这种新型的人工肌肉直接运用到膝关节的方式，可在40V的电压下实现膝关节的运动，并能根据膝关节收到的地反力，来精确地控制膝关节的运动角度、位移量。
3.本发明设计的膝关节可根据不同的应用要求，来调节相对的股骨相对与胫骨的角度，以适应不同的场所。
4.本发明设计了从股骨处可驱动膝关节，从胫骨处也可驱动膝关节的双驱动方式。
附图说明
图1为由柔性驱动器驱动的膝关节的结构示意图
图2为仿交叉韧带法兰盘组件的剖视图
图3为仿交叉韧带法兰盘零件的剖视图
图4为十字轴与轴承的剖视图
图5为仿生股骨A的结构示意图
图6为仿生胫骨的结构示意图
图7为仿生肌肉的分布图
图8为仿生肌肉的结构示意图
图9为仿生肌肉的剖视图
图10为上磁流体密封组件O的局部放大图
图11为下磁流体密封组件M的局部放大图
图12为上密封帽的结构示意图
图13为下密封帽的结构示意图
图14为硅胶管58的结构示意图
图15为侧密封盖的结构示意图
图16为仿生肌肉的初始位置示意图
图17为仿生肌肉通电收缩后的示意图
图18为膝关节弯曲30°的示意图
图19为膝关节弯曲45°的示意图
其中：A.仿生股骨B.仿生胫骨C.仿交叉韧带D.柔性驱动器E.前法兰组件F.左法兰组件G.后法兰组件H.右法兰组件I.前仿生肌肉对J.后仿生肌肉对K.右仿生肌肉对L.左仿生肌肉对M.下磁流体密封组件N.半导体制冷件组ⅠO.上磁流体密封组件P.半导体制冷件组Ⅱ1.前法兰盘2.前连杆组3.前轴4.右法兰盘5.右连杆组6.右轴7.后法兰盘8.后连杆组9.后轴10.左法兰盘11.左连杆组12.左轴13.十字轴14.前轴承15.左轴承16.后轴承17.右轴承18.仿生股骨柱19.仿生肌腱组Ⅰ20.轴Ⅰ21.后仿生肌腱组件22.后固定环对23.环对Ⅰ24.杆对Ⅰ25.右孔26.右螺纹孔组27.左螺纹孔组28.左孔29.仿生股骨髁30.前固定环对31.杆对Ⅱ32.环对Ⅱ33.仿生肌腱组Ⅱ34.前仿生肌腱组件35.轴Ⅱ36.后螺纹孔组37.后孔38.仿生胫骨髁39.左固定环对40.杆对Ⅳ41.环对Ⅲ42.仿生肌腱组Ⅳ43.左仿生肌腱组件44.轴Ⅳ45.仿生胫骨柱46.仿生肌腱组Ⅲ47.右仿生肌腱组件48.轴Ⅲ49.右固定环对50.杆对Ⅲ51.环对Ⅳ52.前孔53.前螺纹孔组54.带环连接线Ⅰ55.超螺旋镀银尼龙纤维56.帽Ⅰ57.侧盖Ⅰ58.硅胶管59.半导体制冷片Ⅱ60.散热片Ⅱ61.风扇Ⅱ62.侧盖Ⅱ63.帽Ⅱ64.带环连接线Ⅱ65.半导体制冷片Ⅰ66.散热片Ⅰ67.风扇Ⅰ68.去离子水69.旁管Ⅰ70.旁管Ⅱ71.下永磁体72.下导磁体73.下密封圈74.下磁流体75.上导磁体76.上密封圈77.上磁流体78.上永磁体79.主管Ⅰ80.上盖81.孔Ⅰ82.孔Ⅱ83.主管Ⅱ84.下盖85.圆形Ⅰ86.内圆外方形87.圆形Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。
如图1、图18和图19所示，本发明由仿生股骨A、仿生胫骨B、仿交叉韧带C、柔性驱动器D组成，其中仿生股骨A和仿生胫骨B上下排列，仿交叉韧带C位于仿生股骨A的仿生股骨髁29和仿生胫骨B的仿生胫骨髁38之间。
仿交叉韧带C中前轴承14外圈与仿生胫骨B中前孔52过盈连接；仿交叉韧带C中后轴承16外圈与仿生胫骨B中后孔37过盈连接；仿交叉韧带C中左轴承15外圈与仿生股骨A中左孔28过盈连接；仿交叉韧带C中右轴承17外圈与仿生股骨A中右孔25过盈连接。
柔性驱动器D中前仿生肌肉对I的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对22的环对Ⅰ23、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中后仿生肌腱组件21的轴Ⅰ20活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中前法兰组件E的前轴3活动连接。
柔性驱动器D中后仿生肌肉对J的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对30的环对Ⅱ32、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中前仿生肌腱组件34的轴Ⅱ35活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中后法兰组件G的后轴9活动连接。柔性驱动器D中右仿生肌肉对K的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中右法兰组件H的右轴6活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中左固定环对39的环对Ⅲ41、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中左仿生肌腱组件43的轴Ⅳ44活动连接。柔性驱动器D中左仿生肌肉对L的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中左法兰组件F的左轴12活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中右固定环对49的环对Ⅳ51两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中右仿生肌腱组件47的轴Ⅲ48活动连接。
如图5所示，所述的仿生股骨A由仿生股骨柱18、后仿生肌腱组件21、前仿生肌腱组件34、后固定环对22、前固定环对30、仿生股骨髁29、左法兰组件F和右法兰组件H组成，其中后仿生肌腱组件21由仿生肌腱组Ⅰ19的三条仿生肌腱和轴Ⅰ20组成，三条仿生肌腱前端经轴Ⅰ20固接；前仿生肌腱组件34由仿生肌腱组Ⅱ33的三条仿生肌腱和轴Ⅱ35组成，三条仿生肌腱后端经轴Ⅱ35固接；后固定环对22由杆对Ⅰ24和环对Ⅰ23组成，杆对Ⅰ24前端与环对Ⅰ23后端固接；前固定环对30由杆对Ⅱ31和环对Ⅱ32组成，杆对Ⅱ31后端与环对Ⅱ32前端固接；仿生股骨柱18为圆柱形。
后仿生肌腱组件21经其仿生肌腱组Ⅰ19后端固接于仿生股骨柱18前侧上部；前仿生肌腱组件34经其仿生肌腱组Ⅱ33前端固接于仿生股骨柱18后侧上部；后固定环对22经其杆对Ⅰ24后端固接于仿生股骨柱18前侧下部；前固定环对30经其杆对Ⅱ31前端固接于仿生股骨柱18后侧下部。
仿生股骨髁29为口朝下的圆弧形，仿生股骨髁29上设有左孔28、左螺纹孔组27、右孔25、右螺纹孔组26；左法兰组件F由左法兰盘10、左连杆组11和左轴12组成，其中左连杆组11的三根连杆左端经左轴12固接，三根连杆右端与左法兰盘10左端固接；右法兰组件H由右法兰盘4、右连杆组5和右轴6组成，其中右连杆组5的三根连杆右端经右轴6固接，三根连杆左端与右法兰盘4右端固接；左法兰组件F的左法兰盘10右面固接于仿生股骨髁29的左孔28左面；右法兰组件H的右法兰盘4左面固接于仿生股骨髁29的右孔25右面。
仿生股骨柱18下端固接于仿生股骨髁29上端。
如图6所示，所述的仿生胫骨B由仿生胫骨髁38、右仿生肌腱组件47、左仿生肌腱组件43、右固定环对49、左固定环对39、仿生胫骨髁38、前法兰组件E和后法兰组件G组成，其中仿生胫骨柱45为圆柱形。右仿生肌腱组件47由仿生肌腱组Ⅲ46和轴Ⅲ48组成，仿生肌腱组Ⅲ46左端经轴Ⅲ48固接；左仿生肌腱组件43由仿生肌腱组Ⅳ42和轴Ⅳ44组成，仿生肌腱组Ⅳ42右端经轴Ⅳ44固接；左固定环对39由杆对Ⅲ50和环对Ⅳ51组成，杆对Ⅲ50左端与环对Ⅳ51右端固接；左固定环对39由杆对Ⅳ40和环对Ⅲ41组成，杆对Ⅳ40右端与环对Ⅲ41左端固接；右仿生肌腱组件47经其仿生肌腱组Ⅲ46右端固接于仿生胫骨柱45左侧下部；左仿生肌腱组件43经其仿生肌腱组Ⅳ42左端固接于仿生胫骨柱45右侧下部；右固定环对49经其杆对Ⅲ50右端固接于仿生胫骨柱45左侧上部；左固定环对39经其杆对Ⅳ40左端固接于仿生胫骨柱45右侧上部。
仿生胫骨髁38为口朝上的圆弧形，仿生胫骨髁38上设有前孔52、前螺纹孔组53、后孔37和后螺纹孔组36。
前法兰组件E由前法兰盘1、前连杆组2和前轴3组成，其中前连杆组2的三根连杆前端经前轴3固接，三根连杆后端与前法兰盘1前端固接；后法兰组件G由后法兰盘7、后连杆组8和后轴9组成，其中后连杆组8的三根连杆后端经后轴9固接，三根连杆前端与后法兰盘7后端固接；前法兰组件E的前法兰盘1后面固接于仿生胫骨髁38的前孔52前面；后法兰组件G的后法兰盘7前面固接于仿生胫骨髁38的后孔37后面；仿生胫骨柱45上端固接于仿生胫骨髁38下端。
如图2至图4所示，所述的仿交叉韧带C由十字轴13、前轴承14、左轴承15、后轴承16和右轴承17组成，其中前轴承14内圈与十字轴13前端过盈连接；左轴承15内圈与十字轴13左端过盈连接；后轴承16内圈与十字轴13后端过盈连接；右轴承17内圈与十字轴13右端过盈连接。
如图7至图17所示，所述的柔性驱动器D由各有两个仿生肌肉的前仿生肌肉对I、后仿生肌肉对J、右仿生肌肉对K和左仿生肌肉对L组成，每个仿生肌肉的结构完全相同，均由带环连接线Ⅰ54、超螺旋镀银尼龙纤维55、帽Ⅰ56、半导体制冷件组ⅠN、半导体制冷件组ⅡP、上磁流体密封组件O、下磁流体密封组件M、硅胶管58、去离子水68、帽Ⅱ63和带环连接线Ⅱ64组成，硅胶管58中部为内圆外方形86，硅胶管58上下两端为圆形Ⅰ85和圆形Ⅱ87。
帽Ⅰ56由上盖80、主管Ⅰ79、旁管Ⅰ69和侧盖Ⅰ57组成，上盖80上设有孔Ⅰ81，上盖80固接于主管Ⅰ79上端，旁管Ⅰ69固接于主管Ⅰ79一侧，且相互连通，旁管Ⅰ69和侧盖Ⅰ57固接；帽Ⅱ63由下盖84、主管Ⅱ82、旁管Ⅱ70和侧盖Ⅱ62组成，下盖84上设有孔Ⅱ83，下盖84固接于主管Ⅱ82下端，旁管Ⅱ70固接于主管Ⅱ82一侧，且相互连通，旁管Ⅱ70和侧盖Ⅱ62固接；帽Ⅰ56和帽Ⅱ63均为橡胶材质，帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63自上而下顺序排列并固接。
半导体制冷件组ⅠN由半导体制冷片Ⅰ65、散热片Ⅰ66和风扇Ⅰ67组成，散热片Ⅰ66的两侧分别与半导体制冷片Ⅰ65和风扇Ⅰ67用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ65的另一侧与硅胶管58中的内圆外方形86采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ65和风扇Ⅰ67分别由引线与外部电源连接；半导体制冷件组ⅡP由半导体制冷片Ⅱ59、散热片Ⅱ60和风扇Ⅱ61组成，散热片Ⅱ60的两侧分别与半导体制冷片Ⅱ59和风扇Ⅱ61用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ59的另一侧与硅胶管58中的内圆外方形86采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ59和风扇Ⅱ61分别由引线与外部电源连接。
上磁流体密封组件O由上永磁体78、上密封圈76、上导磁体75和上磁流体77组成，其中上磁流体密封组件O的上永磁体78和上导磁体75上下固接，并置于帽Ⅰ56的主管Ⅰ79内，且上导磁体78的下平面与帽Ⅰ56的旁管Ⅰ69上端线平齐；上磁流体密封组件O的上导磁体78经上密封圈76与帽Ⅰ56的主管Ⅰ79内圈密封连接；上磁流体密封组件O中的上磁流体77与超螺旋镀银尼龙纤维55的上部磁流体密封；上磁流体密封组件O中上磁流体77填充于上导磁体75内；下磁流体密封组件M由下永磁体71、下密封圈73、下导磁体72和下磁流体74组成，其中下磁流体密封组件M的下导磁体72和下永磁体71上下固接，并置于帽Ⅱ63的主管Ⅱ82内，且下导磁体72的上平面与帽Ⅱ63的旁管Ⅱ70下端线平齐；下磁流体密封组件M的下导磁体72经下密封圈73与帽Ⅱ63的主管Ⅱ82内圈密封连接；下磁流体密封组件M中的下磁流体74与超螺旋镀银尼龙纤维55的下部磁流体密封；下磁流体密封组件M中下磁流体74填充于下导磁体72内。
带环连接线Ⅰ54、超螺旋镀银尼龙纤维55和带环连接线Ⅱ64自上而下排列，并顺序固接，其中超螺旋镀银尼龙纤维55位于帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63固接后形成的空间纵轴线中心，超螺旋镀银尼龙纤维55近上端与帽Ⅰ56中上盖80的孔Ⅰ81滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维55近下端与帽Ⅱ63中下盖84的孔Ⅱ82滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维55上下端分别与引线连接，并通过帽Ⅰ56中上盖80的孔Ⅰ81和帽Ⅱ63中下盖84的孔Ⅱ82与外接电源连接；去离子水68填充于帽Ⅰ56、硅胶管58和帽Ⅱ63中上磁流体77和下磁流体74之间的空间；硅胶管58中的去离子水68上下两侧由上磁流体77和下磁流体74密封，左右两侧有侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62密封，并能通过侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62进行去离子水68更换；硅胶管58中的去离子水68上下两端由上磁流体77和下磁流体74密封，去离子水68一侧由侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62密封，并能通过侧盖Ⅰ57和侧盖Ⅱ62进行去离子水68更换。
Claims (4)
1.一种由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：由仿生股骨(A)、仿生胫骨(B)、仿交叉韧带(C)、柔性驱动器(D)组成，其中所述的柔性驱动器(D)由各有两个仿生肌肉的前仿生肌肉对(I)、后仿生肌肉对(J)、右仿生肌肉对(K)和左仿生肌肉对(L)组成，每个仿生肌肉的结构完全相同，均由带环连接线Ⅰ(54)、超螺旋镀银尼龙纤维(55)、帽Ⅰ(56)、半导体制冷件组Ⅰ(N)、半导体制冷件组Ⅱ(P)、上磁流体密封组件(O)、下磁流体密封组件(M)、硅胶管(58)、去离子水(68)、帽Ⅱ(63)和带环连接线Ⅱ(64)组成，其中，硅胶管(58)中部为内圆外方形(86)，硅胶管(58)上下两端为圆形Ⅰ(85)和圆形Ⅱ(87)；帽Ⅰ(56)由上盖(80)、主管Ⅰ(79)、旁管Ⅰ(69)和侧盖Ⅰ(57)组成，上盖(80)上设有孔Ⅰ(81)，上盖(80)固接于主管Ⅰ(79)上端，旁管Ⅰ(69)固接于主管Ⅰ(79)一侧，且相互连通，旁管Ⅰ(69)和侧盖Ⅰ(57)固接；帽Ⅱ(63)由下盖(84)、主管Ⅱ(82)、旁管Ⅱ(70)和侧盖Ⅱ(62)组成，下盖(84)上设有孔Ⅱ(83)，下盖(84)固接于主管Ⅱ(82)下端，旁管Ⅱ(70)固接于主管Ⅱ(82)一侧，且相互连通，旁管Ⅱ(70)和侧盖Ⅱ(62)固接；帽Ⅰ(56)和帽Ⅱ(63)均为橡胶材质，帽Ⅰ(56)、硅胶管(58)和帽Ⅱ(63)自上而下顺序排列并固接；半导体制冷件组Ⅰ(N)由半导体制冷片Ⅰ(65)、散热片Ⅰ(66)和风扇Ⅰ(67)组成，散热片Ⅰ(66)的两侧分别与半导体制冷片Ⅰ(65)和风扇Ⅰ(67)用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ(65)的另一侧与硅胶管(58)中的内圆外方形(86)采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅰ(65)和风扇Ⅰ(67)分别由引线与外部电源连接；半导体制冷件组Ⅱ(P)由半导体制冷片Ⅱ(59)、散热片Ⅱ(60)和风扇Ⅱ(61)组成，散热片Ⅱ(60)的两侧分别与半导体制冷片Ⅱ(59)和风扇Ⅱ(61)用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ(59)的另一侧与硅胶管(58)中的内圆外方形(86)采用硅脂固接，半导体制冷片Ⅱ(59)和风扇Ⅱ(61)分别由引线与外部电源连接；上磁流体密封组件(O)由上永磁体(78)、上密封圈(76)、上导磁体(75)和上磁流体(77)组成，其中上磁流体密封组件(O)的上永磁体(78)和上导磁体(75)上下固接，并置于帽Ⅰ(56)的主管Ⅰ(79)内，且上导磁体(75 )的下平面与帽Ⅰ(56)的旁管Ⅰ(69)上端线平齐；上磁流体密封组件(O)的上导磁体(75 )经上密封圈(76)与帽Ⅰ(56)的主管Ⅰ(79)内圈密封连接；上磁流体密封组件(O)中的上磁流体(77)与超螺旋镀银尼龙纤维(55)的上部磁流体密封；上磁流体密封组件(O)中上磁流体(77)填充于上导磁体(75)内；下磁流体密封组件(M)由下永磁体(71)、下密封圈(73)、下导磁体(72)和下磁流体(74)组成，其中下磁流体密封组件(M)的下导磁体(72)和下永磁体(71)上下固接，并置于帽Ⅱ(63)的主管Ⅱ(82)内，且下导磁体(72)的上平面与帽Ⅱ(63)的旁管Ⅱ(70)下端线平齐；下磁流体密封组件(M)的下导磁体(72)经下密封圈(73)与帽Ⅱ(63)的主管Ⅱ(82)内圈密封连接；下磁流体密封组件(M)中的下磁流体(74)与超螺旋镀银尼龙纤维(55)的下部磁流体密封；下磁流体密封组件(M)中下磁流体(74)填充于下导磁体(72)内；带环连接线Ⅰ(54)、超螺旋镀银尼龙纤维(55)和带环连接线Ⅱ(64)自上而下排列，并顺序固接，其中超螺旋镀银尼龙纤维(55)位于帽Ⅰ(56)、硅胶管(58)和帽Ⅱ(63)固接后形成的空间纵轴线中心，超螺旋镀银尼龙纤维(55)近上端与帽Ⅰ(56)中上盖(80)的孔Ⅰ(81)滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维(55)近下端与帽Ⅱ(63)中下盖(84)的孔Ⅱ(83 )滑动连接；超螺旋镀银尼龙纤维(55)上下端分别与引线连接，并通过帽Ⅰ(56)中上盖(80)的孔Ⅰ(81)和帽Ⅱ(63)中下盖(84)的孔Ⅱ(83 )与外接电源连接；去离子水(68)填充于帽Ⅰ(56)、硅胶管(58)和帽Ⅱ(63)中上磁流体(77)和下磁流体(74)之间的空间；硅胶管(58)中的去离子水(68)上下两侧由上磁流体(77)和下磁流体(74)密封，左右两侧有侧盖Ⅰ(57)和侧盖Ⅱ(62)密封，并能通过侧盖Ⅰ(57)和侧盖Ⅱ(62)进行去离子水(68)更换；硅胶管(58)中的去离子水(68)上下两端由上磁流体(77)和下磁流体(74)密封，去离子水(68)一侧由侧盖Ⅰ(57)和侧盖Ⅱ(62)密封，并能通过侧盖Ⅰ(57)和侧盖Ⅱ(62)进行去离子水(68)更换；仿生股骨(A)和仿生胫骨(B)上下排列，仿交叉韧带(C)位于仿生股骨(A)的仿生股骨髁(29)和仿生胫骨(B)的仿生胫骨髁(38)之间；仿交叉韧带(C)中前轴承(14)外圈与仿生胫骨(B)中前孔(52)过盈连接；仿交叉韧带(C)中后轴承(16)外圈与仿生胫骨(B)中后孔(37)过盈连接；仿交叉韧带(C)中左轴承(15)外圈与仿生股骨(A)中左孔(28)过盈连接；仿交叉韧带(C)中右轴承(17)外圈与仿生股骨(A)中右孔(25)过盈连接；柔性驱动器(D)中前仿生肌肉对(I)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(30 )的环对Ⅰ(23)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中后仿生肌腱组件(21)的轴Ⅰ(20)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中前法兰组件(E)的前轴(3)活动连接；柔性驱动器(D)中后仿生肌肉对(J)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(30)的环对Ⅱ(32)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中前仿生肌腱组件(34)的轴Ⅱ(35)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中后法兰组件(G)的后轴(9)活动连接；柔性驱动器(D)中右仿生肌肉对(K)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中右法兰组件(H)的右轴(6)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中左固定环对(39)的环对Ⅲ(41)、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中左仿生肌腱组件(43)的轴Ⅳ(44)活动连接；柔性驱动器(D)中左仿生肌肉对(L)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中左法兰组件(F)的左轴(12)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中右固定环对(49)的环对Ⅳ(51)两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中右仿生肌腱组件(47)的轴Ⅲ(48)活动连接。
2.按权利要求1所述的由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：所述的仿生股骨(A)由仿生股骨柱(18)、后仿生肌腱组件(21)、前仿生肌腱组件(34)、后固定环对(22)、前固定环对(30)、仿生股骨髁(29)、左法兰组件(F)和右法兰组件(H)组成，其中后仿生肌腱组件(21)由仿生肌腱组Ⅰ(19)的三条仿生肌腱和轴Ⅰ(20)组成，三条仿生肌腱前端经轴Ⅰ(20)固接；前仿生肌腱组件(34)由仿生肌腱组Ⅱ(33)的三条仿生肌腱和轴Ⅱ(35)组成，三条仿生肌腱后端经轴Ⅱ(35)固接；后固定环对(22)由杆对Ⅰ(24)和环对Ⅰ(23)组成，杆对Ⅰ(24)前端与环对Ⅰ(23)后端固接；前固定环对(30)由杆对Ⅱ(31)和环对Ⅱ(32)组成，杆对Ⅱ(31)后端与环对Ⅱ(32)前端固接；仿生股骨柱(18)为圆柱形，后仿生肌腱组件(21)经其仿生肌腱组Ⅰ(19)后端固接于仿生股骨柱(18)前侧上部；前仿生肌腱组件(34)经其仿生肌腱组Ⅱ(33)前端固接于仿生股骨柱(18)后侧上部；后固定环对(22)经其杆对Ⅰ(24)后端固接于仿生股骨柱(18)前侧下部；前固定环对(30)经其杆对Ⅱ(31)前端固接于仿生股骨柱(18)后侧下部；仿生股骨髁(29)为口朝下的圆弧形，仿生股骨髁(29)上设有左孔(28)、左螺纹孔组(27)、右孔(25)、右螺纹孔组(26)；左法兰组件(F)由左法兰盘(10)、左连杆组(11)和左轴(12)组成，其中左连杆组(11)的三根连杆左端经左轴(12)固接，三根连杆右端与左法兰盘(10)左端固接；右法兰组件(H)由右法兰盘(4)、右连杆组(5)和右轴(6)组成，其中右连杆组(5)的三根连杆右端经右轴(6)固接，三根连杆左端与右法兰盘(4)右端固接；左法兰组件(F)的左法兰盘(10)右面固接于仿生股骨髁(29)的左孔(28)左面；右法兰组件(H)的右法兰盘(4)左面固接于仿生股骨髁(29)的右孔(25)右面；仿生股骨柱(18)下端固接于仿生股骨髁(29)上端。
3.按权利要求1所述的由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：所述的仿生胫骨(B)由仿生胫骨髁(38)、右仿生肌腱组件(47)、左仿生肌腱组件(43)、右固定环对(49)、左固定环对(39)、仿生胫骨髁(38)、前法兰组件(E)和后法兰组件(G)组成，其中仿生胫骨柱(45)为圆柱形；右仿生肌腱组件(47)由仿生肌腱组Ⅲ(46)和轴Ⅲ(48)组成，仿生肌腱组Ⅲ(46)左端经轴Ⅲ(48)固接；左仿生肌腱组件(43)由仿生肌腱组Ⅳ(42)和轴Ⅳ(44)组成，仿生肌腱组Ⅳ(42)右端经轴Ⅳ(44)固接；左固定环对(39)由杆对Ⅲ(50)和环对Ⅳ(51)组成，杆对Ⅲ(50)左端与环对Ⅳ(51)右端固接；左固定环对(39)由杆对Ⅳ(40)和环对Ⅲ(41)组成，杆对Ⅳ(40)右端与环对Ⅲ(41)左端固接；右仿生肌腱组件(47)经其仿生肌腱组Ⅲ(46)右端固接于仿生胫骨柱(45)左侧下部；左仿生肌腱组件(43)经其仿生肌腱组Ⅳ(42)左端固接于仿生胫骨柱(45)右侧下部；右固定环对(49)经其杆对Ⅲ(50)右端固接于仿生胫骨柱(45)左侧上部；左固定环对(39)经其杆对Ⅳ(40)左端固接于仿生胫骨柱(45)右侧上部；仿生胫骨髁(38)为口朝上的圆弧形，仿生胫骨髁(38)上设有前孔(52)、前螺纹孔组(53)、后孔(37)和后螺纹孔组(36)；前法兰组件(E)由前法兰盘(1)、前连杆组(2)和前轴(3)组成，其中前连杆组(2)的三根连杆前端经前轴(3)固接，三根连杆后端与前法兰盘(1)前端固接；后法兰组件(G)由后法兰盘(7)、后连杆组(8)和后轴(9)组成，其中后连杆组(8)的三根连杆后端经后轴(9)固接，三根连杆前端与后法兰盘(7)后端固接；前法兰组件(E)的前法兰盘(1)后面固接于仿生胫骨髁(38)的前孔(52)前面；后法兰组件(G)的后法兰盘(7)前面固接于仿生胫骨髁(38)的后孔(37)后面；仿生胫骨柱(45)上端固接于仿生胫骨髁(38)下端。
4.按权利要求1所述的由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：所述的仿交叉韧带(C)由十字轴(13)、前轴承(14)、左轴承(15)、后轴承(16)和右轴承(17)组成，其中前轴承(14)内圈与十字轴(13)前端过盈连接；左轴承(15)内圈与十字轴(13)左端过盈连接；后轴承(16)内圈与十字轴(13)后端过盈连接；右轴承(17)内圈与十字轴(13)右端过盈连接。
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