[發明專利]機構參數可調的通用型氣動肌肉仿生關節機構

有效

• 申請號: 201210415541.1
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102922536A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 王斌銳;金英連;程苗;駱浩華;方水光
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于仿生機構設計領域，涉及一種雙氣動肌肉驅動的、仿生機器人用的柔性關節裝置。

背景技術

多數的仿生機構中轉動關節采用定軸轉動方式，機構便于實現，控制簡單。但動物和人類的骨骼型轉動并不是定軸轉動方式，而是復雜的骨頭端面曲面相互的嚙合滑動，類似于機械中的凸輪機構，但曲面要復雜的多。多連桿機構的轉動機構是目前仿生機構設計中的熱點和方向。同時，電機驅動的機構，運動剛性大，不具備柔順性，模擬動物和人類肢體的柔順性運動特性很困難。氣動人工肌肉是一種充氣作用下，直徑會變粗，長度會縮短的氣動執行器，越來越多地被用于仿生機構中。常見的氣動肌肉驅動的關節多采用滑輪結構。氣動人工肌肉驅動的多連桿轉動機構是仿生機構研究領域的重點，尤其是四連桿機構。但目前的設計方式是根據需要模擬的運動軌跡來進行多連桿機構綜合，確定機構參數。不同的運動軌跡和關節轉動要求，需要不同參數的機構。由于仿生機構的運動軌跡和轉動特性變化大，使得仿生機構設計工作變得繁瑣。氣動人工肌肉驅動的仿人靈巧手結構(200610066259.1)，氣動人工肌肉驅動的七自由度仿人手臂(200710098051.2)，一種基于氣動人工肌肉的柔性機械手(200910098976.6)，機器人的關節驅動裝置(201010233153.2)等專利都采用了氣動肌肉作為關節驅動器，但氣動肌肉與肢體或關節都采用了固定鏈接，且氣動肌肉的安裝不可調節，關節的轉動特性固定。

若能設計出一種機構參數可根據運動要求進行調節的仿生關節機構，其通用性強、適用面廣，將大大降低仿生機構設計工作量，且可提高機構工作性能和仿生性能。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了機構參數可調的通用型氣動肌肉仿生關節機構。

本發明包括上連接桿、下連接桿、轉軸連接塊、轉軸、彈簧擋板組件、下支撐板轉軸槽、轉軸槽、上支撐桿、下支撐桿、調長螺母、壓緊彈簧、左氣動肌肉和右氣動肌肉等。

上連桿和下連桿用于連接仿生機構中需要相對轉動的兩個肢體；上連桿固定安裝在轉軸連接塊上；轉軸連接塊中開有三個橢圓跑道形轉軸槽，上支撐轉軸槽、左轉軸槽和右轉軸槽；上支撐轉軸槽垂直方向開，上端安裝有預壓縮后的壓緊彈簧，壓緊彈簧的下端面被彈簧擋板組件擋住，限制了壓緊彈簧的伸長；彈簧擋板組件由中空的擋板和兩端的鎖緊螺母組成，位置可在上支撐轉軸槽內調節；轉軸穿過彈簧擋板組件的擋板中間，并被壓緊彈簧的下端面頂住，轉軸的位置也可在上支撐轉軸槽內調節；水平方向的左轉軸槽和右轉軸槽內對應安裝有同樣結構的左轉軸螺母組件和右轉軸螺母組件；左、右轉軸螺母組件分別通過連桿與左、右氣動肌肉上端連接；連桿可分別繞左、右轉軸螺母組件轉動；左、右氣動肌肉下端分別通過連桿和左、右轉軸螺母組件與下支撐板轉軸槽連接；上支撐桿與上支撐轉軸槽中的轉軸連接，并可繞轉軸轉動；上支撐桿通過調長螺母與下支撐桿連接，并可通過調長螺母的旋緊和放松來調節長度；下支撐桿與下支撐板轉軸槽固定連接；左、右氣動肌肉下端的接頭上分別開有左、右調節氣壓口，并可通過左、右調節氣壓口分別調節左、右氣動肌肉內腔的氣壓。

本發明相比于現有技術具有以下有益效果：

機構的主要參數都可調節。左右氣動肌肉與中間支撐桿的距離可分別調節，轉軸的高度和上支撐桿的長度可調節，從而使得機構可根據不同的運動軌跡要求，進行調節，增強了機構的通用性。

當轉軸和左右氣動肌肉的轉軸螺母組件在同一高度上，且左右氣動肌肉距離中間支撐桿等距時，機構為通常的對稱運動機構。當轉軸向上調節時，機構在相同的氣動肌肉收縮量下，擺動角度會變大。當左轉軸螺母組件向中間支撐桿靠近時，機構向左側擺動角度范圍會大于向右側擺動角度范圍。

可通過調節壓緊彈簧的預應力來設定關節可承受的最大軸向壓力，壓力過大時，轉軸可壓縮壓緊彈簧，從而增強仿生關節的安全性。

本機構可以通過調節轉軸在轉軸槽中的位置，來適應不同的應用場合，如肩關節(雙向擺動)、肘關節(單向擺動)等。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步說明。

如圖1所示，機構參數可根據運動要求進行調節的仿生關節機構包括上連接桿1、下連接桿13、轉軸連接塊20、轉軸4、彈簧擋板組件3、下支撐板轉軸槽12、左轉軸槽19、右轉軸槽7、上支撐桿5、下支撐桿14、調長螺母15、壓緊彈簧21、左氣動肌肉17和右氣動肌肉10等。