[發(fā)明專利]氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710098051.2
• 申請日: 2007-04-27
• 公開（公告）號: CN101204815A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王毅楓;彭光正
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: B25J18/00
• 分類號: B25J18/00
• 代理公司: 小松專利事務(wù)所
• 代理人: 陳祚齡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種仿人手臂，尤其是一種由氣動人工肌肉驅(qū)動的仿人機(jī)器人手臂。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的日臻成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。困擾仿人手臂發(fā)展的一大因素正是驅(qū)動器。關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使人們自然而然的想到用同樣輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)作為仿人手臂的動力源。基于電機(jī)驅(qū)動的思想勢必給仿人手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來巨大的困難，其尺寸大于人手、握持力小、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等。以生物肌肉運(yùn)動原理為藍(lán)圖而設(shè)計(jì)開發(fā)出來的驅(qū)動器——?dú)鈩尤斯ぜ∪猓云浜唵蔚脑O(shè)計(jì)、低廉的成本、獨(dú)特的仿生性、很高的輸出力/重量比和良好的柔順性等特點(diǎn)近年來在機(jī)器人領(lǐng)域得到了越來越廣泛的重視。氣動人工肌肉是迄今為止人類發(fā)明的一種最接近于生物肌肉特性、性能價(jià)格比最高的驅(qū)動器之一。基于氣動人工肌肉設(shè)計(jì)的仿人手臂結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力/重量比高、適合于柔順控制作業(yè)等。

世界各國研究工作者對仿人手臂的開發(fā)都投入了極大的熱情。

20世紀(jì)末，美國國家航空和宇航局利用國家基金研制用于國際空間站艙外作業(yè)的機(jī)器人宇航員，用于修理出故障的衛(wèi)星和空間站。太空機(jī)器人體態(tài)小巧，身手敏捷，完全勝任在宇宙飛船上執(zhí)行任務(wù)。機(jī)器人宇航員體形和真人相仿，有著結(jié)實(shí)的軀干和靈巧的NASA靈巧手和手臂。該手完全模擬人手的結(jié)構(gòu)與動作，由1個前臂、1個手腕和5個手指組成，共14個自由度(手腕2個自由度，拇指、食指和中指各3個，無名指、小指和手掌各1個自由度)。目前該手可以拿起一些常用工具進(jìn)行操作。兩架彩色立體成像照相機(jī)充作雙眼。為了防備空間射線和溫差變化造成的傷害，它也穿上了宇航服。在某些方面，機(jī)器人宇航員比人還靈巧，它手腕的轉(zhuǎn)動幅度比我們大，擺弄起電動工具和繩索來得心應(yīng)手。

麻省理工學(xué)院所研究的“科戈”(COG)人形機(jī)器人，被作為人和人工智能等領(lǐng)域的一個平臺。“科戈”由頭、軀干、胳膊及雙手組成，它的臂必須像人類那樣具有柔順性。“科戈”的第一條手臂以全新的方式工作，每個關(guān)節(jié)都有一個彈簧，從而使“科戈”獲得了柔順性。

美國華盛頓大學(xué)還研制出一個具有智能的氣動軟臂機(jī)器人，具有6個自由度，不僅可以作為服務(wù)機(jī)器人使用，而且可以作為進(jìn)一步開發(fā)智能機(jī)器人的平臺。

中國人口結(jié)構(gòu)日趨老齡化，老齡人口正以每年3.2％的速度增長，到下世紀(jì)中葉，我國老齡人口將可能占到總?cè)丝诘乃姆种灰陨希@對我國的經(jīng)濟(jì)騰飛和社會穩(wěn)定將帶來不可估量的影響，全社會要未雨綢繆，早做準(zhǔn)備。護(hù)理機(jī)器人能在一定程度內(nèi)代替人，為高齡老人喝水、送藥、進(jìn)食等作一些護(hù)理工作，被科學(xué)家公認(rèn)為一種解決人口老齡化社會問題的有效措施。從護(hù)理機(jī)器人的工作性質(zhì)來看，護(hù)理機(jī)器人必須要具有服務(wù)化、人性化和親和力，這除了要求護(hù)理機(jī)械手臂具有人手臂一般大小外，還需要它具有充分的自由度和柔順性。因此，研制開發(fā)仿人護(hù)理柔性機(jī)械手臂是解決未來老齡化社會問題的有效措施，具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)上述可知作為機(jī)器人意向的執(zhí)行部件-機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)組成的重要性，它執(zhí)行的準(zhǔn)確與否，有力與否除了驅(qū)動源的操縱與控制非常關(guān)鍵之外，機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)組成也是非常關(guān)鍵的部件，為此設(shè)計(jì)出達(dá)到仿人手要求的仿人機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)乃當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的目的在于提供一種用氣動人工肌肉驅(qū)動的仿人手臂，利用其獨(dú)特的柔順操控技術(shù)使機(jī)器人的手臂具有人臂一樣的功能，使其具有象人一樣的肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)其肩關(guān)節(jié)的三個旋轉(zhuǎn)自由度，肘關(guān)節(jié)的兩個旋轉(zhuǎn)自由度，腕關(guān)節(jié)的兩個旋轉(zhuǎn)自由度；結(jié)構(gòu)的基本形式是采用氣動人工肌肉為驅(qū)動器通過鋼絲(或繩索)操控滑輪組或采用套管鋼絲的柔性操控實(shí)現(xiàn)驅(qū)動動作。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：