[實用新型]一種仿生肌肉的柔性驅動器

有效

• 申請號: 201520275251.0
• 申請日: 2015-04-29
• 公開（公告）號: CN204604338U
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: 劉濤;李通
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J13/00
• 分類號: B25J13/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本實用新型涉及一種仿生肌肉驅動裝置，尤其涉及一種仿生肌肉的柔性驅動器。

背景技術

仿人機器人一直是機械電子領域的研究熱點，研究人員一直希望能夠使機器人的運動能夠像人體一樣靈活輕盈。但直至目前，仍沒有一種機器人能夠在運動的靈活性上可以比擬人體。在機器人的運動方面，最直接和關鍵的部件便是驅動器，驅動器的剛性、控制等問題也是導致目前機器人運動僵硬的關鍵。

早期的仿人機器人中運用較多的驅動器主要是內燃機和液壓等。但是燃機由于其燃燒效率底下、高溫、噪聲等問題目前基本已經淘汰。傳統液壓由于油液的污染等問題也所用不多。氣動技術也同樣因為噪聲和效率等的問題難以推廣。

目前仿人機器人上使用最多的驅動器是電機。由于電機在扭矩、控制方法等方面的優勢，目前阿西莫、NAO等最優秀的機器人幾乎都采用了電機。

但是由于電機只能輸出一個轉動的自由度，傳統的電機驅動方式是用來驅動一個轉動關鍵。對于人體上面的多自由度關節（如三自由度的髖關節），則不能直接驅動，需要分解成多個（如三個自由度）自由度，分別設置電機，來進行驅動，這樣設置的串聯驅動，與人體肌肉的多根肌肉并聯驅動關節并存在差距。這樣的驅動方式使得機器人動作不夠連續自如，當作為外骨骼來與人體共同運動時也會限制人的運動。

此外由于將電機安置在關節轉軸處，會增加上一級驅動的負擔，導致扭矩需求和能量需求都較大，而人類的肌肉來說由于很大部分的重量集中在肌肉處，上一級驅動所需提供的負荷可以大大減少。

因此越來越多的研究者從仿生肌肉的角度來考慮，尋求一種類似肌肉的可以彎折布置并產生拉力的驅動裝置來模仿肌肉的結構和功能。這類被稱為“人工肌肉”的驅動器中一類使用氣動技術（CN?103253368?A）、液壓技術(CN?103802126?A)的，通過壓力來產生使管狀腔膨脹，從而使其縱向縮短，但其體積都較大，很難應用于精細的機器人。另一類采用一些新材料，如形狀記憶合金(CN?102813563?B)、電/磁致縮性材料等，這些材料雖然在一些特性上甚至超過了肌肉，但由于如變形較慢、電壓過高等原因仍未能得到廣泛應用。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本實用新型提供了一種仿生肌肉的柔性驅動器，該驅動器功能完整，集成度高，布置方便，控制簡單，便于與其他設計結合應用。

為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案如下：一種仿生肌肉的柔性驅動器，包括主體和電路板，所述電路板與主體固定聯接；所述主體包括第一固定環、第一齒輪、第一鋼絲繩、繞線軸、蝸桿、電位器、蝸輪、電機固定架、第二固定環、第二鋼絲繩、梁式拉力傳感器、電機、電磁離合器、外殼；其中，電機通過電機固定架固定在外殼里面；電磁離合器固定聯接在外殼上；電機的D型軸和電磁離合器的內部轉動部分連接；電磁離合器的外部轉動齒輪與第一齒輪嚙合；第一齒輪通過鍵與繞線軸聯接，第一鋼絲繩的一端固定聯接在繞線軸上，另一端穿過外殼下方的孔與第一固定環連接；蝸桿固定聯接在繞線軸上，電位器固定聯接在外殼上；蝸輪固定連接在電位器的輸出軸上，蝸桿和蝸輪嚙合傳動；梁式拉力傳感器一端固定聯接在外殼上，另一端通過第二鋼絲繩與第二固定環連接；

所述電路板包括電源模塊、驅動模塊、力檢測模塊、位置檢測模塊和微處理器模塊五個部分；其中，驅動模塊、力檢測模塊、位置檢測模塊和微處理器模塊的電源端口均與電源模塊的輸出端口相連；驅動模塊的電機輸出座P4和電磁離合器輸出座P5分別與電機和電磁離合器相連，驅動模塊的7個控制信號輸入IO端口和微處理器模塊的7個控制信號輸出IO端口對應相連；力檢測模塊的傳感器輸入插座P6與梁式拉力傳感器相連，力檢測模塊的數字輸入端口和數字輸出端口分別與微處理器模塊的數字輸出端口和數字輸入端口相連；位置檢測模塊的插座P8與電位器相連，位置檢測模塊的電位輸出端口與微處理器模塊的AD轉換輸入端口相連。

本實用新型與背景技術相比，具有的有益效果是：

（1）本實用新型中的仿生肌肉采用電機驅動，相比以往采用氣動液壓等技術的驅動器能量密度更高，控制更加方便。相比選用新材料的驅動方式控制更加選用低電壓驅動，行程大，便于根據不同需求調節設置。

（2）本驅動裝置集成了控制電路器及傳感器，相比單一的驅動裝置，集成度更高，更完善地仿生了肌肉的主要功能，便于獨立使用和控制。

（3）通過離合器的設置，相比普通電機驅動器克服了電機減速箱造成的自鎖，實現了仿生肌肉釋放過程不需要驅動電機反轉，從而避免了額外消耗能量以及增加控制難度，便于控制。