一种多气动肌肉驱动的机器人关节结构

技术领域

本发明涉及一种多气动肌肉驱动的仿人机械臂的关节结构，属于机器人领域，仿生学领域。

背景技术

下一代机器人是能够与作业环境、人和其它机器人共存协作并自主适应复杂动态环境的共融机器人共融机器人有两大应用领域：一是作为工业机器人在生产线上与人一起协同工作，二是作为服务机器人为人们提供日常生活服务。共融机器人在日常的、非结构化的、动态的环境中工作，需要频繁进行人和机器人的交互(Human-RobotInteraction,HRI)。为了确保“人—机—物”的安全，共融机器人必须具有本质安全性：对与之交互协作的人员而言，该机器人不仅物理上是安全的，而且心理上是觉得舒适的。传统的仿人机械臂由伺服电机和减速器配合驱动，具有质量大，刚度高，功率质量比低等特点，不适合与人接触，人机协作的效率较低。

气动肌肉因为具有类似人体肌肉的出力特性和本质柔顺性，是一种非常理想的机器人驱动器，例如德国FESTO公司设计的ZAR5气动机器人，其机械手臂有7个自由度，具有肩、肘、腕关节和灵巧手，可以完成主从随动抓取任务。但是当前气动肌肉驱动机器人的应用研究面临一个亟待解决的瓶颈问题：气动肌肉虽然能够产生数百甚至上千牛顿的输出力，但是收缩长度有限(通常为PAM公称长度的25％)。这一对矛盾使得在经典的气动肌肉拮抗驱动方案中机器人关节滑轮半径受限，导致机器人关节的输出力矩受限，不能发挥PAM能够产生很大输出力的优点，严重制约了气动肌肉驱动方案在共融机器人中的推广和应用，针对上述问题Cho等人设计了集成棘齿的气动肌肉(Ratchet-IntegratedPneumaticActuator,RIPA)，可以产生超过25cm的收缩行程。另一个解决方案是采用多根PAM构成并联群组，通过并联更多的PAM产生更大的输出力从而获得更大的输出力矩。在可变征召气动肌肉群组的驱动方案中，PAM采用并行配置方式，和经典配置方式相比，几何关节不变，只是通过并联更多的PAM产生更大的输出力以获得更大的输出力矩。过小的滑轮半径削弱了气动肌肉具有较大输出力的优点，降低了气动肌肉驱动机器人系统的输出力矩和驱动效率。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术背景中的不足之处，提供了一种新型的气动肌肉驱动的单关节仿人机械臂；该机械臂关节在以往的机器人关节的基础上增大了关节半径，增大了每根气动肌肉的输出力矩以满足机器人系统的出力需求。同时该关节结构又由多根气动肌肉序贯驱动，克服了在增大关节半径后，由于气动肌肉收缩行程的限制，导致关节输出角度范围变小的情况。

本发明采用的技术方案如下：

本发明采用多根气动肌肉驱动机械臂单关节的方式，并设计了每对气动肌肉拉动关节转动的驱动方案。

多气动肌肉驱动的机器人单关节结构首先在整体上增大了关节的半径，使气动肌肉在同样的输出力情况下具有了更大的输出力矩。此关节结构采用的是成对的气动肌肉拮抗驱动的方式，关节轴左右两侧各有三组鲍登线安装组，每一组鲍登线安装组都由一根气动肌肉来牵动完成关节轴的旋转。三对气动肌肉协同拉动关节轴转动，使机器人能从机械结构和出力原理上克服现有驱动方案的缺点，同时使气动肌肉驱动机器人的运动范围和出力能力达到应用要求。

多气动肌肉驱动单关节机械臂安装在固定支架上，固定支架呈口字型，固定支架上端固定有上臂连杆，固定支架边沿固定有鲍登线限位板，三对气动肌肉竖直固定在固定支架的底部。

多气动肌肉驱动单关节机械臂是由三对气动肌肉依次驱动，每对气动肌肉都有相似的拉动关节轴旋转的结构，每对气动肌肉拉动关节轴旋转的的结构如下：

上臂连杆的上下面各有一个鲍登线固定块，用来固定第一对拮抗驱动肌肉的鲍登线，第一对气动肌肉的鲍登线两端分别固定在上臂鲍登线固定块和固定支架上的鲍登线限位板上，钢丝绳连接气动肌肉鲍登线安装组的钢丝绳限位孔和固定支架上的一对气动肌肉，实现了第一对气动肌肉拉动关节轴。

第二对拮抗的气动肌肉的鲍登线两端分别固定在，相邻第一对气动肌肉对应的鲍登线安装组的鲍登线限位孔和固定支架上的鲍登线限位板上，钢丝绳连接气动肌肉对应的鲍登线安装组的钢丝绳限位孔和固定支架上的第二对气动肌肉，实现了第二对气动肌肉拉动关节轴。第三对拮抗气动肌肉拉动关节轴的结构与第二对肌肉一样。

多气动肌肉驱动的单关节机械臂的一个自由度是由三对气动肌肉拮抗驱动，使用鲍登线和钢丝绳进行传动，鲍登线由鲍登线套管和鲍登线线芯组成，鲍登线套管可以灵活的固定在各个鲍登线安装组上的鲍登线限位孔和鲍登线限位板上，鲍登线线芯沿着鲍登线套管方向运动，可以改变气动肌肉输出拉力的方向，从而使气动肌肉的安装位置更加灵活，气动肌肉的排布更加紧凑，当气动肌肉输出拉力的方向无需改变的时候，使用钢丝线进行传动。

除了上述部分外，在气动肌肉的末端配置吊环和螺母，吊环可以配合螺母沿气动肌肉轴向移动，并且可以360度旋转；鲍登线和钢丝绳固定在吊环上，鲍登线安装组上的钢丝线限位孔可以实现对气动肌肉的预警力的调节。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益的效果：

1、每根肌肉都连接到对应的鲍登线安装组和超越离合器结构的设计，使得多根肌肉彼此独立的拉动关节轴转动。相较与多根气动肌肉通过一根钢丝绳拉动关节的模型，此模型每根肌肉之间的耦合度更小，且每根钢丝线上承受拉力更小，对钢丝绳和关节轴的负担也因此大大减小。

2、关节的半径整体上增大了，而使用多根气动肌肉依次拉动关节的结构在增大单根气动肌肉输出力矩的同时还避免了由于关节半径增大导致关节转动范围变小的问题。

3、鲍登线的安装位置灵活，且可以改变气动肌肉输出拉力的方向，因而气动肌肉的安装位置更加灵活，气动肌肉的排布更加紧凑，机械臂的结构更加简单。

附图说明

图1为多气动肌肉驱动的单关节机械臂结构示意图。

图2为多气动肌肉驱动的单关节结构示意图。

图3为多气动肌肉驱动的单关节运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。

本发明采用的技术方案为一种多气动肌肉驱动的机器人单关节结构，其特征在于：该机械臂关节的一个自由度是可以由三根气动肌肉来驱动，驱动该关节的气动肌肉包括气动肌肉a(2.1)、气动肌肉b(2.2)和气动肌肉c(2.3)。

固定支架(1)呈现口字型，固定支架(1)上端固定有上臂连杆(4.1)，固定支架(1)边缘处固定有鲍登线限位板a(3.1)、鲍登线限位板b(3.2)和鲍登线限位板c(3.3)，气动肌肉a(2.1)、气动肌肉b(2.2)和气动肌肉c(2.3)竖直固定在固定支架(1)的底部。

关节结构包括二分之一上臂连杆a(4.1)、二分之一上臂连杆b(4.2)；上臂鲍登线固定块(5.1)固定在上臂连杆上。关节轴上固定有臂连杆，鲍登线安装组a(6.1)，鲍登线安装组b(6.2)，鲍登线安装组c(6.3)，鲍登线安装组d(6.4)，鲍登线安装组e(6.5)，鲍登线安装组g(6.6)，超越离合器棘轮a(7.1)和超越离合器棘轮b(7.2)。每个鲍登线安装组都由附件安装环(10)，鲍登线安装架(9)和棘爪弹簧片(11)组成，附件安装环(10)上安装有鲍登线安装架(9)和棘爪弹簧片(11)，其中每个鲍登线架(9)上有大小两个限位孔，大孔为鲍登线限位孔，小孔为钢丝绳限位孔，棘爪弹簧片(11)的材料是弹簧钢，保证有一定硬度的前提下又具有可以回弹的弹性能力。超越离合器棘轮a(7.1)和超越离合器棘轮b(7.2)在关节轴上的安装方向是相反的，因此左侧鲍登线安装组拉动关节轴顺时针转动的时候，同侧的鲍登线安装组由于附件安装环(10)上棘爪弹簧片(11)的回弹作用，关节轴并不会带动同侧的鲍登线安装组转动，但异侧的鲍登线安装组会随着关节轴一起转动。用鲍登线a(12.1)穿过上臂鲍登线固定块(5.1)和鲍登线限位板a(3.1)上的鲍登线限位孔，连接鲍登线安装组a(6.1)的钢丝绳限位孔和气动肌肉a(2.1)，实现第一根气动肌肉a(2.1)拉动鲍登线安装组a(6.1)的附件安装环转动，附件安装环上的棘爪弹簧片与超越离合棘轮a(7.1)接触，带动关节轴转动。用鲍登线b(12.2)穿过鲍登线限位板b(3.2)，鲍登线安装组a(6.1)的鲍登线限位孔，连接鲍登线安装组b(6.2)安装架上的钢丝线限位孔和气动肌肉b(2.2),气动肌肉b(2.2)拉动鲍登线安装组b(6.2)的附件安装环(10)转动，附件安装环上的棘爪弹簧片与超越离合棘轮a(7.1)相抵，再次带动关节轴转动。用鲍登线c(12.3)穿过鲍登线限位孔c(3.3)，鲍登线安装组b(6.2)的鲍登线限位孔，连接鲍登线安装组c(6.3)安装架上的钢丝线限位孔和气动肌肉c(2.3)，第三根气动肌肉c(2.3)拉动鲍登线安装组c(6.3)的附件安装环(10)转动，附件安装环上的棘爪弹簧片(11)与超越离合棘轮a(7.1)相啮合，牵动关节轴第三次转动。

此仿人机械臂关节的一个自由度是由三对气动肌肉拮抗驱动；当气动肌肉a(2.1)收缩时，与气动肌肉a(2.1)拮抗的气动肌肉舒张，钢丝绳a(13.1)牵引鲍登线安装组a(6.1)旋转，此时鲍登线安装组a(6.1)上的棘爪弹簧片(11)和超越离合器棘轮a(7.1)相接触，带动超越离合器棘轮a(7.1)转动，超越离合器棘轮a(7.1)牵动关节轴绕轴心旋转，实现该关节的第一对气动肌肉a(2.1)拮抗驱动实现第一次拉动关节轴的转动，此时鲍登线安装组b(6.2)和鲍登线安装组c(6.3)他们的棘爪弹簧片与超越离合器棘轮a(7.1)不会接触啮合，而是彼此有分离的趋势，由于棘爪弹簧片(11)是由弹簧钢制成，其材料本身具有一定弹性特性，棘爪弹簧片(11)发生回弹，不会随着超越离合器棘轮a(7.1)转动而带动鲍登线安装组b(6.2)和鲍登线安装组c(6.3)一同转动，因此气动肌肉a(2.1)收缩的时候，鲍登线安装组b(6.2)和鲍登线安装组c(6.3)保持原有位置固定；当气动肌肉b(2.2)收缩时，与气动肌肉b(2.2)拮抗的气动肌肉舒张，钢丝绳b(13.2)牵引鲍登线安装组b(6.2)旋转，此时鲍登线安装组b(6.2)带动超越离合器棘轮a(7.1)第二次转动，使得关节轴绕轴心旋转，实现第二对气动肌肉拮抗驱动第二次拉动关节轴的转动，与气动肌肉a(2.1)拉动关节轴转动的原理相同，此时鲍登线安装组a(6.1)和鲍登线安装组c(6.3)并不会随着关节轴和超越离合器棘轮a(7.1)一同转动；当气动肌肉c(2.3)收缩时，与气动肌肉c(2.3)拮抗的气动肌肉舒张，钢丝绳c(13.3)牵引鲍登线安装组c(6.3)旋转，此时鲍登线安装组c(6.3)带动超越离合器棘轮a(7.1)第三次转动，超越离合器棘轮a(7.1)牵引关节轴绕轴心旋转，实现第三对气动肌肉拮抗驱动第三次拉动关节轴的转动，与气动肌肉a(2.1)拉动关节轴转动的原理相同，此时鲍登线安装组a(6.1)和鲍登线安装组b(6.2)并不会随着关节轴转动。该新型关节模型通过每根气动肌肉都对应各自的鲍登线安装组来彼此独立的拉动关节轴转动，相较以往的多根肌肉仅仅通过一根钢丝线来拉动关节的模型，降低了系统的耦合度，同时增大了每根肌肉的输出力的力臂，增大了气动肌肉的输出力矩，整体提高单关节气动肌肉仿人机械臂关节的输出效率。