[發(fā)明專利]仿生機(jī)械關(guān)節(jié)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980142653.0
• 申請日: 2009-08-28
• 公開（公告）號: CN102196785A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·C·雅各布森;M·奧利維爾;B·麥克萊恩
• 申請（專利權(quán)）人: 雷神公司
• 主分類號: A61F2/68
• 分類號: A61F2/68;B25J13/00;B25J9/16
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 吳鵬;馬江立

相關(guān)申請

本申請要求于2008年8月28日提交且標(biāo)題為“Biomimetic?MechanicalJoint”(仿生機(jī)械關(guān)節(jié))的美國臨時(shí)專利申請No.61/092,699的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用將該申請全文并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的領(lǐng)域總的涉及外骨骼和機(jī)器人，尤其涉及具有天然或類似于人類特征的用于外骨骼和機(jī)器人的機(jī)械關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

近幾十年來已實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和機(jī)器人設(shè)備開發(fā)的顯著進(jìn)步。通過使用機(jī)器人裝配器和操縱器獲得的制造效率、探測用機(jī)器人車輛(如在火星表面上行走的那些)以及在主題公園和其它景點(diǎn)常見的電子動(dòng)漫人物只是少數(shù)受歡迎的例子。然而，這些專業(yè)機(jī)器人具有的共同特點(diǎn)在于它們既不具備真正的仿人能力，也不能以類似于人類的操作行使功能。實(shí)際上，許多機(jī)器人設(shè)備受制于外部電源，而另一些則構(gòu)造成在不具備雙踏板或仿人運(yùn)動(dòng)的情況下移動(dòng)。真正的可移動(dòng)且不受束縛的人形機(jī)器人和外骨骼雖然存在，但處于早期發(fā)展階段，并被繼續(xù)改進(jìn)以更好地參與可移動(dòng)的仿人活動(dòng)。

朝不受束縛的人形機(jī)器人活動(dòng)改進(jìn)仿人或仿生機(jī)器人系統(tǒng)一直存在技術(shù)難點(diǎn)的一個(gè)原因是向機(jī)器人提供移動(dòng)能力的機(jī)械關(guān)節(jié)內(nèi)固有的低效率。在一種機(jī)器人設(shè)備中，圍繞機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力的主要消耗體。即使存在已對機(jī)器人和人類輔助設(shè)備中的機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行控制和性能方面的優(yōu)化的少數(shù)例外，這些也優(yōu)先于最佳效率考慮。例如，許多現(xiàn)代非仿生工業(yè)機(jī)器人利用與外部電力、流體或機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)——其能夠供應(yīng)過剩的動(dòng)力——永久連接的優(yōu)點(diǎn)執(zhí)行大量工作，從而使關(guān)節(jié)能夠精確和有力地移動(dòng)，但它們也非常浪費(fèi)能量。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的假肢也影響了效率，因?yàn)檫@些裝置主要被限制在容易接入電源的實(shí)驗(yàn)室、研究中心或居民區(qū)內(nèi)的個(gè)人生活空間。然而，在遠(yuǎn)程工作環(huán)境或戰(zhàn)場環(huán)境中，效率對長期操作和/或耐久性來說非常關(guān)腱，因?yàn)橥夤趋阑蚍氯藱C(jī)器人如果過早地用光燃料或電池電量耗盡則毫無用處。仿人機(jī)器人設(shè)備或外骨骼的更有效的操作、特別是仿生關(guān)節(jié)通過一定移動(dòng)范圍和負(fù)載條件的更有效的操作在不犧牲速度或動(dòng)力的前提下的進(jìn)步是亟需的，并且將用來提供改進(jìn)的、不受束縛的仿人機(jī)器人活動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

人體可以是在效率方面優(yōu)化外骨骼和仿人機(jī)器人中的機(jī)械關(guān)節(jié)的一個(gè)模型。動(dòng)物界內(nèi)的所有物種——包括人類——的身體為了進(jìn)行高效率的操作而不斷進(jìn)化，以便僅使用最近的一次用餐或儲存的脂肪作為能量來活動(dòng)和存活。使用仿生機(jī)械關(guān)節(jié)，至少可部分提供模擬人類肢體圍繞天然關(guān)節(jié)的有效運(yùn)動(dòng)的能力。

在本發(fā)明中，這包括提供仿生機(jī)械關(guān)節(jié)的能力，該仿生機(jī)械關(guān)節(jié)模擬由天然關(guān)節(jié)提供的可變扭矩，該可變扭矩是使關(guān)節(jié)在各種負(fù)載條件下有效轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過一定位置范圍所需的。對于外骨骼和仿人機(jī)器人，仿生機(jī)械關(guān)節(jié)可包括可變半徑滑輪，該可變半徑滑輪通過一個(gè)或多個(gè)柔性腱索(tendon)與一副或多副對抗致動(dòng)器(antagonistic?actuator)聯(lián)接以在使轉(zhuǎn)動(dòng)支承部件或肢體部段轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供可變扭矩，該可變扭矩模擬相應(yīng)的天然關(guān)節(jié)所提供的可變扭矩。

按照如文中寬泛地描述的一個(gè)有代表性的實(shí)施例，本發(fā)明在于一種用于模擬天然關(guān)節(jié)所提供的可變扭矩的仿生機(jī)械關(guān)節(jié)，該機(jī)械關(guān)節(jié)包括機(jī)器人設(shè)備的基部支承部件、該機(jī)器人設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)支承部件以及將轉(zhuǎn)動(dòng)部件可轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接在基部部件上的可變半徑(“VR”)滑輪。該VR滑輪還包括帶有周向外表面和樞轉(zhuǎn)點(diǎn)/部位的槽輪體部——該外表面與該樞轉(zhuǎn)部位之間的徑向距離可沿著該外表面的長度變化、形成在該外表面中的一條或多條腱索溝槽以及形成在腱索溝槽內(nèi)的腱索附接點(diǎn)/部位。該機(jī)械關(guān)節(jié)還包括一個(gè)或多個(gè)柔性腱索，各腱索聯(lián)接在腱索附接部位上并具有在腱索溝槽內(nèi)沿相反的方向卷繞在滑輪周圍的第一端部分和第二端部分。該機(jī)械關(guān)節(jié)還包括一個(gè)或多個(gè)對抗致動(dòng)器副，各致動(dòng)器副利用一對端部連接器聯(lián)接在腱索的兩個(gè)端部分上，并且該致動(dòng)器副構(gòu)造成沿(兩個(gè)方向中的)任一方向繞著可變半徑滑輪拉曳腱索以在基部與轉(zhuǎn)動(dòng)支承部件之間形成可變扭矩。