CN114227661A - 一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂 - Google Patents

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Abstract

一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，包括：电源组件、控制组件、基座以及由电力人工肌肉驱动的至少包含两个关节的机械臂。所述的多用途机械臂的第一节机械臂同基座相接的第一关节至少能够实现两个旋转自由度的运动且至少有两个旋转自由度由所述电力人工肌肉驱动；所述的第二关节用于连接第一节机械臂与第二节机械臂且包含至少一个由所述的电力人工肌肉驱动的旋转自由度。上述的多用途机械臂相较于现有的机械臂设备，能够实现更为敏捷、静音的运动。相较于现有技术中采用的伺服电机、舵机或者一体化液压系统作为动力的机械臂以及应用这些机械臂构成的机器人，有着显著的技术优势。

Description

一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂
技术领域
本发明涉及一种基于人工肌肉驱动的机械臂，具体地说，涉及一种由电力人工肌肉驱动的多用途机械臂。
背景技术
现有的机械臂，往往采用伺服电机、舵机或者一体化气压/液压系统作为动力，这类动力设备对于关节旋转自由度的限制颇多，往往需要针对每个旋转自由度都至少配置一个伺服电机或舵机。并且通过齿轮啮合输出动力的舵机等类型，噪音明显使得机器人无法安静运作。再譬如气动人工肌肉，由于其运行时的迟滞特性，使得应用场景比较有限。而采用一体化的液压系统，比如波士顿动力的atlas机器人，则对于设备的能耗和整合亦存在诸多困难。
发明内容
在在专利号CN202110414531.5中，申请人公开了一种电力人工肌肉。这一技术方案相较于现有的人工肌肉技术，具有输出位移大，响应速度快，功率密度高等优点。在此之上，本发明提出一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂装置，以解决现有机械臂采用伺服电机、舵机等驱动方式中存在的技术缺陷。
根据本发明的一个方面，优选的提供一种实施方式，包括：电源组件、控制组件、基座以及由电力人工肌肉驱动的至少包含两个关节的机械臂。所述的多用途机械臂的第一节机械臂03同基座相接的第一关节02a至少能够实现两个旋转自由度的运动且至少有两个旋转自由度由所述电力人工肌肉驱动；所述的第二关节02b用于连接第一节机械臂03与第二节机械臂04，且包含至少一个由所述的电力人工肌肉驱动的旋转自由度。所述的每个由电力人工肌肉驱动的旋转自由度，其旋转自由度至少由两块所述电力人工肌肉驱动实现。所述的电力人工肌肉由包裹有绝缘堆叠电极和流体电介质的柔性密封外层构成。所述的绝缘堆叠电极，在所述人工肌肉处于完全松弛状态下时，相邻电极之间的平均距离d≥1µm；所述电力人工肌肉的驱动电压U≥50V。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其所采用的电力人工肌肉的柔性密封外层呈藕节形状。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的控制组件包含通信功能。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的控制组件包含深度学习功能。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的控制组件包含生物电信号识别功能。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂还包括升压组件。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的每个关节至少包含有一个旋转编码器。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂至少包含一个力传感器。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂能够应用于多余机械手领域。
在一个可能的实施例中，所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂能够应用于至少包含两足的机器人领域，如双足仿生直立人，六足仿生机器人等。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并非对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
附图1给出了本发明所述电力人工肌肉采用藕节形柔性密封外层的结构示意图。
附图2给出了本发明所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的一个实施例的立体结构示意图。
附图3给出了附图2所示实施例的侧视图。
附图4给出了附图2所示实施例的俯视图。
附图5给出了附图2所示实施例中，同基座相接的第一关节具备三个旋转自由度的结构示意图。
附图6给出了本发明所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂作为多余机械手的一个实施例。
附图7给出了本发明所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂应用于多足机器人的一个实施例。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
附图1给出了基于专利CN202110414531.5所公开的电力人工肌肉的一种应用方式。即使用藕节形柔性密封外层来获得尺寸较长的电力人工肌肉。这种实施方式相较于将多节电力人工肌肉首尾相接的方式而言更为简便易行,也同样能够实现以01所示的箭头方向收缩，并且更易于将多股所述电力人工肌肉呈束应用。显然，这对于本发明而言是有积极意义的。
基于附图1给出的使用藕节形柔性密封外层的电力人工肌肉，附图2给出了一个本发明的一个实施例。在该实施例中，所述的电力人工肌肉处于完全松弛状态下时，相邻电极之间的平均距离d≥1µm。所述的平均距离d的定义为所述电力人工肌肉处于完全松弛状态下时，堆叠电极的长度L除以电极间隔的数量（对于螺旋电极而言，可沿着所述电力人工肌肉收缩方向计算电极间隔），所述电力人工肌肉的驱动电压U≥50V。所述的多用途机械臂同基座相接的第一关节02a采用一个十字万向节来获得两个相互垂直的旋转自由度1a和2a，第二关节02b具备一个旋转自由度4a。所述的旋转自由度1a、2a、4a分别由至少两块基于附图1所述的电力人工肌肉驱动。
比如，附图3出了本发明所述的基于电力人工肌肉的多用途机械臂的一个实施例的侧视图。其中附图2所述的旋转自由度1a由两块所述的电力人工肌肉05a驱动。当控制组件向所述电力人工肌肉提供驱动电压时，所述的电力人工肌肉能够实现收缩功能。此时第一节机械臂03即能够在所述电力人工肌肉05a的驱动下具备旋转自由度1a。所述的两块电力人工肌肉05a既能够以不同大小的出力同时收缩以保证第一节机械臂03的运动稳定性，亦可仅收缩其中的一块以实现第一节机械臂03较为快速的旋转运动。
同理，旋转自由度4a由所述的电力人工肌肉05b驱动，进而实现第二节机械臂04绕第二关节02b旋转。而在附图2及附图4中所示的旋转自由度2a则由所述电力人工肌肉05c驱动。
需要注意的是，本发明所述的多用途电力人工肌肉的第一关节应当具备至少两个旋转自由度。在附图5中，当所述的第一关节02a具备更多的旋转自由度时，比如旋转自由度3a，该旋转自由度3a既可由本发明中所述的电力人工肌肉驱动，亦可根据需求选择其它的驱动方式如伺服电机等。
再者，应当理解的是，本发明中所述的第一关节02a的任意两个旋转自由度并非必须保证相互垂直。
为了获得精确的旋转角度，所述的第一关节02a和第二关节02b的每个由本发明中所述的电力人工肌肉驱动的旋转自由度，均可以采用至少一个旋转编码器来提供开环反馈控制或者闭环反馈控制。
在一些可能的实施例中，可以在本发明所述的多用途机械臂上安置力传感器。所述的力传感可以安置于第一关节02a或者第二关节02b处，用于反馈关节臂的受力情况。
在一些可能的实施例中，如图6所示，可以将本发明所述的多用途机械臂作为可穿戴的多余机械手设备使用。在这类应用场景下，本发明所述的多用途机械臂可以在第二节机械臂04的末端连接更多的关节或设备。此时，本发明所述的多用途机械臂的控制组件可以包含生物电信号识别功能。比如可以通过识别脑波信号或者肌电信号来控制本发明所述的多用途机械臂。
在一些可能的实施例中，如图7所示，可以将多个本发明所述的多用途机械臂集成应用于多足机器人。在此类应用场景中，本发明所述的多余机械臂的控制组件可以具备通信功能或者深度学习功能，进而使得多足机器人能够具备更多的应用场景。应当理解的是，多足机器人包括但不限于六足机器人，双足的直立机器人、四足机器人等同样是可行的。
在一些可能的实施例中，特别是当本发明中所述的电力人工肌肉的相邻绝缘电极之间的平均距离d较大时，可以根据本发明中所述电力人工肌肉的工作参数增加升压组件。此时控制组件需要向升压组件提供控制信号，同时电源组件向升压组件提供电能，再进一步由升压组件驱动本发明中所述的电力人工肌肉。所述的升压电路包括但不限于倍压整流电路、串/并联谐振升压电路等。

Claims (10)

1.一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述多用途机械臂由电源组件、控制组件、基座以及由电力人工肌肉驱动的至少包含两个关节的机械臂构成；所述的多用途机械臂的第一节机械臂（03）同基座相接的第一关节（02a）至少能够实现两个旋转自由度的运动且至少有两个旋转自由度由所述电力人工肌肉驱动；所述的第二关节（02b）用于连接第一节机械臂（03）与第二节机械臂（04），且包含至少一个由所述的电力人工肌肉驱动的旋转自由度；所述的每个由电力人工肌肉驱动的旋转自由度，其旋转自由度至少由两块所述电力人工肌肉驱动实现；所述的电力人工肌肉由包裹有绝缘堆叠电极和流体电介质的柔性密封外层构成；所述的绝缘堆叠电极，在所述人工肌肉处于完全松弛状态下时，相邻绝缘电极之间的平均距离d≥1µm；所述电力人工肌肉的驱动电压U≥50V。
2.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的控制组件包含通信功能。
3.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的控制组件包含深度学习功能。
4.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的控制组件包含生物电信号识别功能。
5.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的电力人工肌肉的柔性密封外层呈藕节形状。
6.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的多用途机械臂还包括升压组件。
7.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述机械臂的每个关节至少包含有一个旋转编码器，其作用在于定位每个由本发明中所述的电力人工肌肉驱动的旋转自由度的旋转角度。
8.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述多用途机械臂的至少包含一个力传感器。
9.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的多用途机械臂应用于多余机械手。
10.如权利要求1所述的一种基于电力人工肌肉的多用途机械臂，其特征在于：所述的多用途机械臂应用于多足机器人。
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