CN112775947A - 一种基于气动的仿人机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气动的仿人机器人系统，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动髋关节、膝关节、踝关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。所述的一种基于气动的仿人机器人系统主要由骨盆、肋骨、椎骨、气动肌肉、带轮、气爪、连接件以及关节控制系统组成。腰关节的骨骼由椎骨、肋骨、胸结构件、骨盆构建，长气动肌肉、中气动肌肉一起驱动腰关节运动；下肢关节中髋关节则由并联的气动肌肉驱动，膝关节和踝关节由单关节气动肌肉与多关节气动肌肉组合、多关节气动肌肉与多关节气动肌肉组合驱动关节运动。本发明专利以气动肌肉驱动，具有结构紧凑，柔顺性好、气动肌肉状态多样的特点，可用于教学和演示。

Description

一种基于气动的仿人机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人设备技术领域，特别是一种具有结构紧凑，柔顺性好、气动肌肉状态多样的基于气动的仿人机器人系统。

背景技术

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，可以实现灵活的弯曲、扭转，即使受到外界冲击，也不会产生较大的碰撞好冲击，因此近年来一直是机器人领域研究的热点。

目前，大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，气动肌肉由于具有和人的肌肉类似的特性，具有等压、等张、等长特性；人体肌肉在运动过程中吸收身体的氧气，排出二氧化碳，气动肌肉通过控制气动阀充放气实现动作，因此气动肌肉可以较好的运用在软体机器人设计。

CN110936367B，申请号：201911082363.3，申请日：2019-11-07，公开了一种气动仿人机器人系统以气缸驱动仿人机器人的髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由直线气缸、摆动气缸、带轮、丝杠、锥齿轮、齿形带、齿形轮以及连接件组成。髋关节和肩关节由摆动气缸通过带轮驱动，膝关节由丝杠和气缸组合驱动，脚关节由多根气缸驱动，肘关节由摆动气缸驱动，腕关节由两组变距离摆动部件和气缸并联机构组成；髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、1、4、6、2、1、4个自由度，全身共计34个自由度。CN110682305B，申请号：201910995867.8，申请日：2019-10-18，公开了一种仿人型机器人系统，腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置，以气缸、气动肌肉和弹簧组合体驱动仿人机器人的上肢装置、腰关节装置、下肢装置的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由气缸、带轮、连接件、气动肌肉和弹簧组合体、连接板、气爪等组成。摆动气缸之间结合，摆动气缸与带传动结合，气爪驱动上肢系统，气动肌肉和弹簧组合体和直线气缸驱动腰关节系统，直线气缸、直线气缸与杆结构结合驱动下肢系统。单上肢系统、腰关节系统、单下肢系统分别具有5、7、12个自由度，整个机器人共计41个自由度。CN110561457B，申请号：201910890458.1，申请日：2019-09-20，公开了基于气缸的仿人机器人系统，上肢关节装置的腰部第一连接件的两端分别可转动连接肱骨支架，肱骨支架依次连接大臂连接件，万向节和小臂连接件；腰关节装置的腰部第一摆动气缸两端设置在腰部第一连接件上，腰部第一摆动气缸固定在腰部第二连接件上，腰部第二连接件固定在腰部第二摆动气缸的转动轴上，腰部第二摆动气缸的缸体固定在腰部第三连接件上，腰部第三连接件的两侧分别可转动连接至少四个腰部气缸。

CN110936367B，CN110682305B，CN110561457B分别设计出刚性仿人机器人关节。

CN108466256B，申请号：201810344584.2，申请日：2018-04-17，公开了一种基于气动肌肉与气缸的仿人型机器人系统，以气动肌肉和气缸驱动仿人型机器人的肩关节、肘关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，该机器人主要由头骨、椎骨、肋骨、肱骨、桡骨、固定件、股骨、腓骨、气动肌肉、气缸以及脚组成。肩关节、肘关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、3、4、3、3、4个自由度，整个系统具有34个自由度，其中肩关节由9根来自椎骨的气动肌肉以柔性冗余的形式分布和驱动肩关节，小腿关节则由周边均匀分布三根气缸，中间一根气缸支撑的并联机构构成，实现转动和移动的自由切换。仅仅设计单独柔性并联关节和单独刚性并联串联的仿人机器人关节，并且仅仅为执行元件并联的形式驱动关节，并不能较为真实的反应人体关节肌肉的运动特性。

需要一种具有结构紧凑，柔顺性好、气动肌肉状态多样的基于气动的仿人机器人系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有结构紧凑，柔顺性好、气动肌肉状态多样的基于气动的仿人机器人系统。

一种基于气动的仿人机器人系统，包括：

摄像头，所述摄像头可转动连接到腰关节，所述腰关节两侧可转动连接互为镜像的上肢关节，所述腰关节的下方可转动连接互为镜像的下肢关节，所述摄像头和腰关节之间，上肢关节和腰关节之间分别由气动马达连接，所述气动马达的壳体分别固定在腰关节上，所述气动马达的转子分别固定摄像头和上肢关节；

所述腰关节从上到下依次可转动连接胸结构件、椎骨一、椎骨二、椎骨三、椎骨四、椎骨五、椎骨六、椎骨七、椎骨八、骨盆，所述椎骨二和肋骨一固定连接，所述椎骨四和肋骨二固定连接，所述椎骨五和肋骨三固定连接，所述椎骨八和肋骨四固定连接，所述胸结构件和骨盆之间可转动连接长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、长气动肌肉五、长气动肌肉六、长气动肌肉七、长气动肌肉八的两端，所述长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四成组设置在胸结构件和骨盆的左侧，所述长气动肌肉五、长气动肌肉六、长气动肌肉七、长气动肌肉八成组设置在胸结构件和骨盆的右侧，所述胸结构件和肋骨二之间可转动连接短气动肌肉一、短气动肌肉二、短气动肌肉七、短气动肌肉八的两端，所述骨盆和肋骨三之间可转动连接短气动肌肉三、短气动肌肉四、短气动肌肉五、短气动肌肉六的两端，所述肋骨一和肋骨四之间可转动连接中气动肌肉一、中气动肌肉二、中气动肌肉三、中气动肌肉四、中气动肌肉五、中气动肌肉六、中气动肌肉七、中气动肌肉八的两端；

所述下肢关节的大腿第一段一端和骨盆可转动连接，另一端分别固定连接气动肌肉连接板一、大腿第二段，所述气动肌肉连接板一和骨盆之间可转动连接大腿气动肌肉一、大腿气动肌肉二、大腿气动肌肉三、大腿气动肌肉四的两端，所述大腿第二段和膝关节连接件固定连接，所述膝关节连接件固定连接中间连接板，所述中间连接板上部固定气动马达一的壳体，所述气动马达一的转子同齿轮一固定连接，所述齿轮一和齿轮二啮合，所述齿轮二和螺纹轴一固定连接，所述螺纹轴一分别同带轮一和带轮三固定连接，所述螺纹轴一分别同膝关节连接件和中间连接板可转动连接，所述中间连接板下部固定气动马达二的壳体，所述气动马达二的转子固定连接齿轮四，所述齿轮四啮合齿轮三，所述齿轮三固定连接螺纹连接轴二，所述螺纹连接轴二分别固定连接带轮二和带轮四，所述螺纹连接轴二分别同中间连接板和踝关节连接件可转动连接，所述踝关节连接件和脚固定连接，所述带轮二啮合皮带二，所述皮带二分别通过双关节气动肌肉一和双关节气动肌肉二连接皮带一的两端，所述皮带一啮合带轮一，所述带轮四啮合皮带四，所述皮带四的两端分别通过踝关节气动肌肉一和踝关节气动肌肉二连接到中间连接板，所述带轮三啮合皮带三，所述皮带三的两端分别通过膝关节气动肌肉一和膝关节气动肌肉二连接到中间连接板；

所述上肢关节的肩关节连接件通过气动马达连接到胸结构件，所述肩关节连接件和螺纹杆一可转动连接，所述螺纹杆一分别固定连接带轮一、带轮三、大臂中间杆固定连接，所述大臂中间杆可转动连接螺纹杆二，所述螺纹杆二分别固定连接带轮二、带轮四、肘关节连接杆，所述带轮一和带轮二分别啮合大臂气动肌肉一、大臂气动肌肉二的两端，所述带轮三和带轮四分别啮合大臂气动肌肉三、大臂气动肌肉四的两端，所述肘关节连接杆固定连接小臂连接板，所述小臂连接板分别可转动连接小臂气动肌肉一、小臂气动肌肉二、小臂气动肌肉三，所述小臂气动肌肉一、小臂气动肌肉二、小臂气动肌肉三分别可转动连接腕关节连接板，所述腕关节连接板固定连接气爪；

肌电信号采集系统，所述肌电信号采集系统分别连接上肢关节控制系统、腰关节控制系统、下肢关节控制系统。

所述胸结构件中空，截面为倒梯形。

所述肋骨一、肋骨二、肋骨三、肋骨四分别为长方形环。

所述长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、长气动肌肉五、长气动肌肉六、长气动肌肉七、长气动肌肉八分别位于肋骨一、肋骨二、肋骨三、肋骨四的外侧，所述短气动肌肉一、短气动肌肉二共面，所述短气动肌肉七、短气动肌肉八共面，所述短气动肌肉一和短气动肌肉八交叉设置，所述短气动肌肉三、短气动肌肉四共面，所述短气动肌肉五、短气动肌肉六共面，所述短气动肌肉三和短气动肌肉五交叉设置。

所述气动肌肉一、中气动肌肉二、中气动肌肉三、中气动肌肉四成组设置在肋骨一和肋骨四的左侧，中气动肌肉五、中气动肌肉六、中气动肌肉七、中气动肌肉八成组设置在肋骨一和肋骨四的右侧，所述中气动肌肉一、中气动肌肉二、中气动肌肉三、中气动肌肉四、中气动肌肉五、中气动肌肉六、中气动肌肉七、中气动肌肉八分别位于肋骨二和肋骨三的外侧。

所述膝关节连接件和踝关节连接件分别为U形，所述气动肌肉连接板一为十字形。

所述大腿气动肌肉一、大腿气动肌肉二、大腿气动肌肉三、大腿气动肌肉四分布在大腿第一段的四周，所述踝关节气动肌肉一和踝关节气动肌肉二相互平行，且大小相等，所述双关节气动肌肉一和双关节气动肌肉二相互平行，且大小相等，所述膝关节气动肌肉一和膝关节气动肌肉二相互平行，且大小相等。

所述小臂连接板和腕关节连接板为圆盘形。

所述小臂气动肌肉一、小臂气动肌肉二、小臂气动肌肉三均匀分布在小臂连接板和腕关节连接板的四周。

所述肌电信号采集系统为控制器，所述上肢关节控制系统分别控制大臂气动肌肉一、大臂气动肌肉二、大臂气动肌肉三、大臂气动肌肉四、小臂气动肌肉一、小臂气动肌肉二、小臂气动肌肉三、气爪；

所述腰关节控制系统分别控制摄像头和腰关节之间的气动马达、上肢关节和腰关节之间的气动马达、短气动肌肉一、短气动肌肉二、长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、短气动肌肉三、短气动肌肉四、短气动肌肉五、短气动肌肉六、短气动肌肉七、短气动肌肉八、长气动肌肉五、长气动肌肉六、长气动肌肉七、长气动肌肉八、中气动肌肉一、中气动肌肉二、中气动肌肉三、中气动肌肉四、中气动肌肉五、中气动肌肉六、中气动肌肉七、中气动肌肉八；

所述下肢关节控制系统分别控制大腿气动肌肉一、大腿气动肌肉二、大腿气动肌肉三、大腿气动肌肉四、踝关节气动肌肉一、踝关节气动肌肉二、双关节气动肌肉一、双关节气动肌肉二、气动马达一、气动马达二、膝关节气动肌肉一、膝关节气动肌肉二。

本发明公开了一种基于气动的仿人机器人系统，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动髋关节、膝关节、踝关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。所述的一种基于气动的仿人机器人系统主要由骨盆、肋骨、椎骨、气动肌肉、带轮、气爪、连接件以及关节控制系统组成。腰关节的骨骼由椎骨、肋骨、胸结构件、骨盆构建，长气动肌肉、中气动肌肉一起驱动腰关节运动；下肢关节中髋关节则由并联的气动肌肉驱动，膝关节和踝关节由单关节气动肌肉与多关节气动肌肉组合、多关节气动肌肉与多关节气动肌肉组合驱动关节运动；上肢关节中多关节气动肌肉组成拮抗肌驱动肩关节、肘关节运动，腕关节则由并联的气动肌肉驱动。本发明专利以气动肌肉驱动，具有结构紧凑，柔顺性好、气动肌肉状态多样的特点，可用于教学和演示。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根单关节和多根多关节气动肌肉驱动关节，组成柔性冗余混联机器人关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；

3.本发明髋关节、膝关节、踝关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、2、2、2、2、1、5个自由度，可以形象地模拟人各关节实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体每根肌肉在关节运动中的作用。

附图说明

图1是基于气动的仿人机器人系统整体机械结构图；

图2是基于气动的仿人机器人系统腰关节骨骼机械结构图；

图3是基于气动的仿人机器人系统腰关节整体机械结构图；

图4是基于气动的仿人机器人系统腰关节中气动肌肉机械结构图；

图5是基于气动的仿人机器人系统双下肢机械结构图；

图6是基于气动的仿人机器人系统大腿机械结构图；

图7是基于气动的仿人机器人系统小腿机械结构图；

图8是基于气动的仿人机器人系统单上肢机械结构图；

图9是基于气动的仿人机器人系统控制系统方框示意图；

图中：摄像头1、上肢关节2、腰关节3、下肢关节4、肋骨一5、肋骨二6、肋骨三7、肋骨四8、胸结构件9、椎骨一10、椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13、椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17、骨盆18、短气动肌肉一19、短气动肌肉二20、长气动肌肉一21、长气动肌肉二22、长气动肌肉三23、长气动肌肉四24、短气动肌肉三25、短气动肌肉四26、短气动肌肉五27、短气动肌肉六28、短气动肌肉七29、短气动肌肉八30、长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34、中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42、大腿气动肌肉一43、大腿气动肌肉二44、大腿气动肌肉三45、大腿气动肌肉四46、大腿第一段47、气动肌肉连接板一48、大腿第二段49、膝关节连接件50、齿轮一51、齿轮二52、螺纹轴一53、带轮一54、皮带一55、踝关节气动肌肉一56、踝关节气动肌肉二57、双关节气动肌肉一58、双关节气动肌肉二59、中间连接板60、皮带二61、带轮二62、气动马达一63、皮带三64、带轮三65、膝关节气动肌肉一66、膝关节气动肌肉二67、皮带四68、带轮四69、齿轮三70、螺纹连接轴二71、齿轮四72、气动马达二73、踝关节连接件74、脚75、肩关节连接件76、带轮一77、大臂气动肌肉一78、大臂气动肌肉二79、大臂中间杆80、螺纹杆一80-2、带轮二81、肘关节连接杆82、螺纹杆二82-2、小臂连接板83、小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、腕关节连接板86、气爪87、带轮三88、大臂气动肌肉三89、大臂气动肌肉四90、带轮四91、小臂气动肌肉三92、肌电信号采集系统93、上肢关节控制系统94、腰关节控制系统95、下肢关节控制系统96。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种基于气动的仿人机器人系统，包括：

摄像头1，摄像头1可转动连接到腰关节3，腰关节3两侧可转动连接互为镜像的上肢关节2，腰关节3的下方可转动连接互为镜像的下肢关节4，摄像头1和腰关节3之间，上肢关节2和腰关节3之间分别由气动马达连接，气动马达的壳体分别固定在腰关节3上，气动马达的转子分别固定摄像头1和上肢关节2；

腰关节3从上到下依次可转动连接胸结构件9、椎骨一10、椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13、椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17、骨盆18，椎骨二11和肋骨一5固定连接，椎骨四13和肋骨二6固定连接，椎骨五14和肋骨三7固定连接，椎骨八17和肋骨四8固定连接，胸结构件9和骨盆18之间可转动连接长气动肌肉一21、长气动肌肉二22、长气动肌肉三23、长气动肌肉四24、长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34的两端，长气动肌肉一21、长气动肌肉二22、长气动肌肉三23、长气动肌肉四24成组设置在胸结构件9和骨盆18的左侧，长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34成组设置在胸结构件9和骨盆18的右侧，胸结构件9和肋骨二6之间可转动连接短气动肌肉一19、短气动肌肉二20、短气动肌肉七29、短气动肌肉八30的两端，骨盆18和肋骨三7之间可转动连接短气动肌肉三25、短气动肌肉四26、短气动肌肉五27、短气动肌肉六28的两端，肋骨一5和肋骨四8之间可转动连接中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42的两端；

下肢关节4的大腿第一段47一端和骨盆18可转动连接，另一端分别固定连接气动肌肉连接板一48、大腿第二段49，气动肌肉连接板一48和骨盆18之间可转动连接大腿气动肌肉一43、大腿气动肌肉二44、大腿气动肌肉三45、大腿气动肌肉四46的两端，大腿第二段49和膝关节连接件50固定连接，膝关节连接件50固定连接中间连接板60，中间连接板60上部固定气动马达一63的壳体，气动马达一63的转子同齿轮一51固定连接，齿轮一51和齿轮二52啮合，齿轮二52和螺纹轴一53固定连接，螺纹轴一53分别同带轮一54和带轮三65固定连接，螺纹轴一53分别同膝关节连接件50和中间连接板60可转动连接，中间连接板60下部固定气动马达二73的壳体，气动马达二73的转子固定连接齿轮四72，齿轮四72啮合齿轮三70，齿轮三70固定连接螺纹连接轴二71，螺纹连接轴二71分别固定连接带轮二62和带轮四69，螺纹连接轴二71分别同中间连接板60和踝关节连接件74可转动连接，踝关节连接件74和脚75固定连接，带轮二62啮合皮带二61，皮带二61分别通过双关节气动肌肉一58和双关节气动肌肉二59连接皮带一55的两端，皮带一55啮合带轮一54，带轮四69啮合皮带四68，皮带四68的两端分别通过踝关节气动肌肉一56和踝关节气动肌肉二57连接到中间连接板60，带轮三65啮合皮带三64，皮带三64的两端分别通过膝关节气动肌肉一66和膝关节气动肌肉二67连接到中间连接板60；

上肢关节2的肩关节连接件76通过气动马达连接到胸结构件9，肩关节连接件76和螺纹杆一80-2可转动连接，螺纹杆一80-2分别固定连接带轮一77、带轮三88、大臂中间杆80固定连接，大臂中间杆80可转动连接螺纹杆二82-2，螺纹杆二82-2分别固定连接带轮二81、带轮四91、肘关节连接杆82，带轮一77和带轮二81分别啮合大臂气动肌肉一78、大臂气动肌肉二79的两端，带轮三88和带轮四91分别啮合大臂气动肌肉三89、大臂气动肌肉四90的两端，肘关节连接杆82固定连接小臂连接板83，小臂连接板83分别可转动连接小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92，小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92分别可转动连接腕关节连接板86，腕关节连接板86固定连接气爪87；

肌电信号采集系统93，肌电信号采集系统93分别连接上肢关节控制系统94、腰关节控制系统95、下肢关节控制系统96。

胸结构件10中空，截面为倒梯形。肋骨一5、肋骨二6、肋骨三7、肋骨四8分别为长方形环。长气动肌肉一21、长气动肌肉二22、长气动肌肉三23、长气动肌肉四24、长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34分别位于肋骨一5、肋骨二6、肋骨三7、肋骨四8的外侧，短气动肌肉一19、短气动肌肉二20共面，短气动肌肉七29、短气动肌肉八30共面，短气动肌肉一19和短气动肌肉八30交叉设置，短气动肌肉三25、短气动肌肉四26共面，短气动肌肉五27、短气动肌肉六28共面，短气动肌肉三25和短气动肌肉五27交叉设置。气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38成组设置在肋骨一5和肋骨四8的左侧，中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42成组设置在肋骨一5和肋骨四8的右侧，中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42分别位于肋骨二6和肋骨三7的外侧。

膝关节连接件50和踝关节连接件74分别为U形，气动肌肉连接板一48为十字形。大腿气动肌肉一43、大腿气动肌肉二44、大腿气动肌肉三45、大腿气动肌肉四46分布在大腿第一段47的四周，踝关节气动肌肉一56和踝关节气动肌肉二57相互平行，且大小相等，双关节气动肌肉一58和双关节气动肌肉二59相互平行，且大小相等，膝关节气动肌肉一66和膝关节气动肌肉二67相互平行，且大小相等。小臂连接板83和腕关节连接板86为圆盘形。小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92均匀分布在小臂连接板83和腕关节连接板86的四周。

肌电信号采集系统93为控制器，上肢关节控制系统94分别控制大臂气动肌肉一78、大臂气动肌肉二79、大臂气动肌肉三89、大臂气动肌肉四90、小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92、气爪87；腰关节控制系统95分别控制摄像头1和腰关节3之间的气动马达、上肢关节2和腰关节3之间的气动马达、短气动肌肉一19、短气动肌肉二20、长气动肌肉一21、长气动肌肉二22、长气动肌肉三23、长气动肌肉四24、短气动肌肉三25、短气动肌肉四26、短气动肌肉五27、短气动肌肉六28、短气动肌肉七29、短气动肌肉八30、长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34、中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42；下肢关节控制系统96分别控制大腿气动肌肉一43、大腿气动肌肉二44、大腿气动肌肉三45、大腿气动肌肉四46、踝关节气动肌肉一56、踝关节气动肌肉二57、双关节气动肌肉一58、双关节气动肌肉二59、气动马达一63、气动马达二73、膝关节气动肌肉一66、膝关节气动肌肉二67。

一种基于气动的仿人机器人系统主要包括摄像头1、上肢关节2、腰关节3、下肢关节4，并且上肢关节2、下肢关节4的数量分别为2，两个上肢关节2的结构完全一样，两个下肢关节4的结构完全一样。摄像头1、上肢关节2与胸结构件9之间均为可转动连接，可转动连接均由气动马达驱动，其中气动马达的壳体与胸结构件9固定连接，气动马达的转子与摄像头1、上肢关节2固定连接。

胸结构件9、骨盆18之间依次由椎骨一10、椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13、椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17连接，胸结构件9、椎骨一10、椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13、椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17、骨盆18之间均为可转动连接。肋骨一5与椎骨二11固定连接，肋骨二6与椎骨四13固定连接，肋骨四8与椎骨八17固定连接。

长气动肌肉四24、长气动肌肉三23、长气动肌肉二22、长气动肌肉一21、长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34两端分别与胸结构件9、骨盆18可转动连接；长气动肌肉四24、长气动肌肉三23、长气动肌肉二22、长气动肌肉一21与长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34分别在Y方向为一列组成肌群，长气动肌肉四24、长气动肌肉三23、长气动肌肉二22、长气动肌肉一21在左侧，长气动肌肉五31、长气动肌肉六32、长气动肌肉七33、长气动肌肉八34在右侧。长气动肌肉四24、长气动肌肉五31与长气动肌肉三23、长气动肌肉六32与长气动肌肉二22、长气动肌肉七33与长气动肌肉一21、长气动肌肉八34分别在X方向为一行组成肌群；长气动肌肉四24、长气动肌肉五31在后侧，长气动肌肉三23、长气动肌肉六32在中后侧，长气动肌肉二22、长气动肌肉七33在中前侧，长气动肌肉一21、长气动肌肉八34在前侧。短气动肌肉七29、短气动肌肉二20、短气动肌肉八30、短气动肌肉一19两端分别与肋骨二6、胸结构件9可转动连接，短气动肌肉七29、短气动肌肉二20、短气动肌肉八30、短气动肌肉一19一起驱动胸结构件9、椎骨一10、椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13之间绕X轴、Y轴相对转动；短气动肌肉二20、短气动肌肉一19相互平行，短气动肌肉七29、短气动肌肉八30相互平行，短气动肌肉二20、短气动肌肉一19与短气动肌肉七29、短气动肌肉八30交错。短气动肌肉五27、短气动肌肉三25、短气动肌肉六28、短气动肌肉四26两端分别与肋骨三7、骨盆18可转动连接，短气动肌肉五27、短气动肌肉三25、短气动肌肉六28、短气动肌肉四26一起驱动椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17、骨盆18之间绕X轴、Y轴相对转动；短气动肌肉三25、短气动肌肉四26相互平行，短气动肌肉五27、短气动肌肉六28相互平行，短气动肌肉三25、短气动肌肉四26与短气动肌肉五27、短气动肌肉六28交错。短气动肌肉七29、短气动肌肉五27在后侧，短气动肌肉二20、短气动肌肉三25在中后侧，短气动肌肉八30、短气动肌肉六28在中前侧，短气动肌肉一19、短气动肌肉四26在前侧。短气动肌肉七29、短气动肌肉五27与短气动肌肉二20、短气动肌肉三25与短气动肌肉八30、短气动肌肉六28与短气动肌肉一19、短气动肌肉四26分别在X方向为一行组成肌群。

中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42两端分别与肋骨一5、肋骨四8可转动连接；中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38与中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42分别在Y方向为一列组成肌群；中气动肌肉一35、中气动肌肉五39与中气动肌肉二36、中气动肌肉六40与中气动肌肉三37、中气动肌肉七41与中气动肌肉四38、中气动肌肉八42分别在X方向为一行组成肌群；中气动肌肉一35、中气动肌肉二36、中气动肌肉三37、中气动肌肉四38、中气动肌肉五39、中气动肌肉六40、中气动肌肉七41、中气动肌肉八42一起组成基于气动肌肉的柔性冗余肌群，驱动椎骨二11、椎骨三12、椎骨四13、椎骨五14、椎骨六15、椎骨七16、椎骨八17之间绕X轴、Y轴相对转动。

大腿第一段47一端与骨盆18可转动连接，另一端与气动肌肉连接板一48、大腿第二段49固定连接，大腿气动肌肉一43、大腿气动肌肉二44、大腿气动肌肉三45、大腿气动肌肉四46两端分别与骨盆18、气动肌肉连接板一48可转动连接，一起驱动大腿第一段47、骨盆18之间绕X轴、Y轴相对转动。

大腿第二段49与膝关节连接件50固定连接，中间连接板60与膝关节连接件50固定连接，螺纹轴一53与齿轮二52、带轮一54、带轮三65固定连接，与中间连接板60、膝关节连接件50可转动连接；气动马达一63的壳体与中间连接板60固定连接，气动马达一63的转子与齿轮一51固定连接，齿轮一51与齿轮二52啮合。螺纹连接轴二71与带轮二62、带轮四69、齿轮三70、踝关节连接件74固定连接，与中间连接板60可转动连接；气动马达二73的壳体与中间连接板60固定连接，气动马达二73的转子与齿轮四72固定连接，齿轮四72与齿轮三70啮合。踝关节气动肌肉一56、踝关节气动肌肉二57一端与中间连接板60固定连接固定连接，另一端通过皮带四68组成一组拮抗肌与带轮四69啮合；膝关节气动肌肉一66、膝关节气动肌肉二67一端与中间连接板60固定连接固定连接，另一端通过皮带三64组成一组拮抗肌与带轮三65啮合；双关节气动肌肉一58、双关节气动肌肉二59一端通过皮带一55组成一组拮抗肌与带轮一54啮合，另一端通过皮带二61组成一组拮抗肌与带轮二62啮合。踝关节气动肌肉一56、踝关节气动肌肉二57通过皮带四68带轮四69驱动螺纹连接轴二71相对于中间连接板60绕X轴转动；膝关节气动肌肉一66、膝关节气动肌肉二67通过皮带三64、带轮三65驱动螺纹轴一53相对于中间连接板60绕X轴转动；双关节气动肌肉一58、双关节气动肌肉二59通过皮带一55、带轮一54驱动螺纹轴一53相对于中间连接板60绕X轴转动，同时又可以通过皮带二61、带轮二62驱动螺纹连接轴二71相对于中间连接板60绕X轴转动。气动马达一63通过齿轮一51、齿轮二52驱动螺纹轴一53相对于中间连接板60绕X轴转动，气动马达二73通过齿轮四72、齿轮三70驱动螺纹连接轴二71相对于中间连接板60绕X轴转动。螺纹轴一53相对于中间连接板60绕X轴转动为膝关节运动，螺纹连接轴二71相对于中间连接板60绕X轴转动为踝关节运动。

肩关节连接件76与胸结构件9可转动连接，螺纹杆一80-2与大臂中间杆80固定连接，同时在两端又与带轮一77、带轮三88固定连接，肩关节连接件76与螺纹杆一80-2可转动连接。螺纹杆二82-2与肘关节连接杆82固定连接，同时在两端又与带轮二81、带轮四91固定连接，大臂中间杆80与螺纹杆二82-2可转动连接。大臂气动肌肉一78、大臂气动肌肉二79组成拮抗肌与带轮一77、带轮二81啮合，大臂气动肌肉三89、大臂气动肌肉四90组成拮抗肌与带轮三88、带轮四91啮合；大臂气动肌肉一78、大臂气动肌肉二79与大臂气动肌肉三89、大臂气动肌肉四90驱动带轮一77、带轮三88与带轮二81、带轮四91正反转，最终实现肩关节连接件76、大臂中间杆80绕Y轴相对转动和肘关节连接杆82、大臂中间杆80绕Y轴相对转动。小臂连接板83与肘关节连接杆82固定连接，小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92两端分别与小臂连接板83、腕关节连接板86可转动连接，小臂气动肌肉一84、小臂气动肌肉二85、小臂气动肌肉三92一起驱动小臂连接板83、腕关节连接板86之间绕Y轴、Z轴的相对转动和沿X轴的相对移动。气爪87与腕关节连接板86固定连接，气爪87具有绕X轴的转动和沿着Y轴、Z轴的直线移动。

肌电信号采集系统93通过采集到人体肌肉的肌电信号作为输入，与上肢关节控制系统94、腰关节控制系统95、下肢关节控制系统96通信，进而实现对上肢关节2、腰关节3、下肢关节4的控制。

上肢关节控制系统94、腰关节控制系统95、下肢关节控制系统96控制高速开关阀或者气动比例压力阀对各气动肌肉进行充气或者放气，以实现机器人各关节和整个机器人运动到预定的位姿。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的气动肌肉，实现基于气动的仿人机器人系统位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他基于气动的仿人机器人系统无法比拟的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于气动的仿人机器人系统，其特征在于，包括：

摄像头(1)，所述摄像头(1)可转动连接到腰关节(3)，所述腰关节(3)两侧可转动连接互为镜像的上肢关节(2)，所述腰关节(3)的下方可转动连接互为镜像的下肢关节(4)，所述摄像头(1)和腰关节(3)之间，上肢关节(2)和腰关节(3)之间分别由气动马达连接，所述气动马达的壳体分别固定在腰关节(3)上，所述气动马达的转子分别固定摄像头(1)和上肢关节(2)；

所述腰关节(3)从上到下依次可转动连接胸结构件(9)、椎骨一(10)、椎骨二(11)、椎骨三(12)、椎骨四(13)、椎骨五(14)、椎骨六(15)、椎骨七(16)、椎骨八(17)、骨盆(18)，所述椎骨二(11)和肋骨一(5)固定连接，所述椎骨四(13)和肋骨二(6)固定连接，所述椎骨五(14)和肋骨三(7)固定连接，所述椎骨八(17)和肋骨四(8)固定连接，所述胸结构件(9)和骨盆(18)之间可转动连接长气动肌肉一(21)、长气动肌肉二(22)、长气动肌肉三(23)、长气动肌肉四(24)、长气动肌肉五(31)、长气动肌肉六(32)、长气动肌肉七(33)、长气动肌肉八(34)的两端，所述长气动肌肉一(21)、长气动肌肉二(22)、长气动肌肉三(23)、长气动肌肉四(24)成组设置在胸结构件(9)和骨盆(18)的左侧，所述长气动肌肉五(31)、长气动肌肉六(32)、长气动肌肉七(33)、长气动肌肉八(34)成组设置在胸结构件(9)和骨盆(18)的右侧，所述胸结构件(9)和肋骨二(6)之间可转动连接短气动肌肉一(19)、短气动肌肉二(20)、短气动肌肉七(29)、短气动肌肉八(30)的两端，所述骨盆(18)和肋骨三(7)之间可转动连接短气动肌肉三(25)、短气动肌肉四(26)、短气动肌肉五(27)、短气动肌肉六(28)的两端，所述肋骨一(5)和肋骨四(8)之间可转动连接中气动肌肉一(35)、中气动肌肉二(36)、中气动肌肉三(37)、中气动肌肉四(38)、中气动肌肉五(39)、中气动肌肉六(40)、中气动肌肉七(41)、中气动肌肉八(42)的两端；

所述下肢关节(4)的大腿第一段(47)一端和骨盆(18)可转动连接，另一端分别固定连接气动肌肉连接板一(48)、大腿第二段(49)，所述气动肌肉连接板一(48)和骨盆(18)之间可转动连接大腿气动肌肉一(43)、大腿气动肌肉二(44)、大腿气动肌肉三(45)、大腿气动肌肉四(46)的两端，所述大腿第二段(49)和膝关节连接件(50)固定连接，所述膝关节连接件(50)固定连接中间连接板(60)，所述中间连接板(60)上部固定气动马达一(63)的壳体，所述气动马达一(63)的转子同齿轮一(51)固定连接，所述齿轮一(51)和齿轮二(52)啮合，所述齿轮二(52)和螺纹轴一(53)固定连接，所述螺纹轴一(53)分别同带轮一(54)和带轮三(65)固定连接，所述螺纹轴一(53)分别同膝关节连接件(50)和中间连接板(60)可转动连接，所述中间连接板(60)下部固定气动马达二(73)的壳体，所述气动马达二(73)的转子固定连接齿轮四(72)，所述齿轮四(72)啮合齿轮三(70)，所述齿轮三(70)固定连接螺纹连接轴二(71)，所述螺纹连接轴二(71)分别固定连接带轮二(62)和带轮四(69)，所述螺纹连接轴二(71)分别同中间连接板(60)和踝关节连接件(74)可转动连接，所述踝关节连接件(74)和脚(75)固定连接，所述带轮二(62)啮合皮带二(61)，所述皮带二(61)分别通过双关节气动肌肉一(58)和双关节气动肌肉二(59)连接皮带一(55)的两端，所述皮带一(55)啮合带轮一(54)，所述带轮四(69)啮合皮带四(68)，所述皮带四(68)的两端分别通过踝关节气动肌肉一(56)和踝关节气动肌肉二(57)连接到中间连接板(60)，所述带轮三(65)啮合皮带三(64)，所述皮带三(64)的两端分别通过膝关节气动肌肉一(66)和膝关节气动肌肉二(67)连接到中间连接板(60)；

所述上肢关节(2)的肩关节连接件(76)通过气动马达连接到胸结构件(9)，所述肩关节连接件(76)和螺纹杆一(80-2)可转动连接，所述螺纹杆一(80-2)分别固定连接带轮一(77)、带轮三(88)、大臂中间杆(80)固定连接，所述大臂中间杆(80)可转动连接螺纹杆二(82-2)，所述螺纹杆二(82-2)分别固定连接带轮二(81)、带轮四(91)、肘关节连接杆(82)，所述带轮一(77)和带轮二(81)分别啮合大臂气动肌肉一(78)、大臂气动肌肉二(79)的两端，所述带轮三(88)和带轮四(91)分别啮合大臂气动肌肉三(89)、大臂气动肌肉四(90)的两端，所述肘关节连接杆(82)固定连接小臂连接板(83)，所述小臂连接板(83)分别可转动连接小臂气动肌肉一(84)、小臂气动肌肉二(85)、小臂气动肌肉三(92)，所述小臂气动肌肉一(84)、小臂气动肌肉二(85)、小臂气动肌肉三(92)分别可转动连接腕关节连接板(86)，所述腕关节连接板(86)固定连接气爪(87)；

肌电信号采集系统(93)，所述肌电信号采集系统(93)分别连接上肢关节控制系统(94)、腰关节控制系统(95)、下肢关节控制系统(96)。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人系统，其特征在于，所述胸结构件(10)中空，截面为倒梯形。

3.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述肋骨一(5)、肋骨二(6)、肋骨三(7)、肋骨四(8)分别为长方形环。

4.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述长气动肌肉一(21)、长气动肌肉二(22)、长气动肌肉三(23)、长气动肌肉四(24)、长气动肌肉五(31)、长气动肌肉六(32)、长气动肌肉七(33)、长气动肌肉八(34)分别位于肋骨一(5)、肋骨二(6)、肋骨三(7)、肋骨四(8)的外侧，所述短气动肌肉一(19)、短气动肌肉二(20)共面，所述短气动肌肉七(29)、短气动肌肉八(30)共面，所述短气动肌肉一(19)和短气动肌肉八(30)交叉设置，所述短气动肌肉三(25)、短气动肌肉四(26)共面，所述短气动肌肉五(27)、短气动肌肉六(28)共面，所述短气动肌肉三(25)和短气动肌肉五(27)交叉设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述气动肌肉一(35)、中气动肌肉二(36)、中气动肌肉三(37)、中气动肌肉四(38)成组设置在肋骨一(5)和肋骨四(8)的左侧，中气动肌肉五(39)、中气动肌肉六(40)、中气动肌肉七(41)、中气动肌肉八(42)成组设置在肋骨一(5)和肋骨四(8)的右侧，所述中气动肌肉一(35)、中气动肌肉二(36)、中气动肌肉三(37)、中气动肌肉四(38)、中气动肌肉五(39)、中气动肌肉六(40)、中气动肌肉七(41)、中气动肌肉八(42)分别位于肋骨二(6)和肋骨三(7)的外侧。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述膝关节连接件(50)和踝关节连接件(74)分别为U形，所述气动肌肉连接板一(48)为十字形。

7.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述大腿气动肌肉一(43)、大腿气动肌肉二(44)、大腿气动肌肉三(45)、大腿气动肌肉四(46)分布在大腿第一段(47)的四周，所述踝关节气动肌肉一(56)和踝关节气动肌肉二(57)相互平行，且大小相等，所述双关节气动肌肉一(58)和双关节气动肌肉二(59)相互平行，且大小相等，所述膝关节气动肌肉一(66)和膝关节气动肌肉二(67)相互平行，且大小相等。

8.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述小臂连接板(83)和腕关节连接板(86)为圆盘形。

9.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述小臂气动肌肉一(84)、小臂气动肌肉二(85)、小臂气动肌肉三(92)均匀分布在小臂连接板(83)和腕关节连接板(86)的四周。

10.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人，其特征在于，所述肌电信号采集系统(93)为控制器，所述上肢关节控制系统(94)分别控制大臂气动肌肉一(78)、大臂气动肌肉二(79)、大臂气动肌肉三(89)、大臂气动肌肉四(90)、小臂气动肌肉一(84)、小臂气动肌肉二(85)、小臂气动肌肉三(92)、气爪(87)；

所述腰关节控制系统(95)分别控制摄像头(1)和腰关节(3)之间的气动马达、上肢关节(2)和腰关节(3)之间的气动马达、短气动肌肉一(19)、短气动肌肉二(20)、长气动肌肉一(21)、长气动肌肉二(22)、长气动肌肉三(23)、长气动肌肉四(24)、短气动肌肉三(25)、短气动肌肉四(26)、短气动肌肉五(27)、短气动肌肉六(28)、短气动肌肉七(29)、短气动肌肉八(30)、长气动肌肉五(31)、长气动肌肉六(32)、长气动肌肉七(33)、长气动肌肉八(34)、中气动肌肉一(35)、中气动肌肉二(36)、中气动肌肉三(37)、中气动肌肉四(38)、中气动肌肉五(39)、中气动肌肉六(40)、中气动肌肉七(41)、中气动肌肉八(42)；

所述下肢关节控制系统(96)分别控制大腿气动肌肉一(43)、大腿气动肌肉二(44)、大腿气动肌肉三(45)、大腿气动肌肉四(46)、踝关节气动肌肉一(56)、踝关节气动肌肉二(57)、双关节气动肌肉一(58)、双关节气动肌肉二(59)、气动马达一(63)、气动马达二(73)、膝关节气动肌肉一(66)、膝关节气动肌肉二(67)。

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