轻量化仿人肌肉骨骼机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂。

背景技术

近年来涌现一批针对仿人肌肉骨骼系统机器人的研究，但因其结构复杂性和缺少传感信息导致在控制机械臂时无法柔顺操作。相关技术中，工业作业普遍使用关节机械臂，其刚性结构虽能满足大载荷、快速响应等特性，但缺少柔顺性及鲁棒性等，例如在装配机械臂作业过程中，电机安装在机械臂的关节处，较大的惯性及刚性容易使装配件发生碰撞而损坏，安全性较低。

发明内容

本发明提供一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，用以解决现有技术中机械臂缺少柔顺性及鲁棒性的缺陷，以提供一种柔顺、安全的硬件平台。

本发明提供一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，包括：

基座；

驱动器模组，所述驱动器模组设于所述基座；

传感信息采集模组，所述传感信息采集模组设于所述基座，并与所述驱动器模组电连接；

人工肌肉单元组件，所述人工肌肉单元组件设于所述基座，并与所述驱动器模组连接，以使所述驱动器模组传输信号给所述人工肌肉单元组件；

手臂组件，所述手臂组件的一端与所述基座活动连接，并通过管线传动结构与所述人工肌肉单元组件传动连接；

其中，所述人工肌肉单元组件通过所述管线传动结构带动所述手臂组件动作。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述人工肌肉单元组件包括若干个人工肌肉单元，所述手臂组件包括依次连接的肩关节结构、大臂骨骼结构、肘关节结构、小臂骨骼结构、腕关节结构及手结构，所述肩关节结构与所述基座连接，若干个所述人工肌肉单元通过所述管线传动结构分别与所述肩关节结构、所述大臂骨骼结构、所述肘关节结构、所述小臂骨骼结构及所述腕关节结构连接。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，每一所述人工肌肉单元包括安装壳、驱动件、编码器及拉力传感器，所述安装壳设于所述基座，所述驱动件和所述拉力传感器均设于所述安装壳，所述编码器装设于所述驱动件，且所述管线传动结构的一端经过所述拉力传感器连接于所述驱动件的输出端。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述肩关节结构包括支架组件、第一角度传感器、第二角度传感器、第三角度传感器及第一万向接头，所述第一万向接头设于所述支架组件，所述支架组件远离所述第一万向接头的一端与所述基座连接，所述大臂骨骼结构远离所述肘关节结构的一端与所述第一万向接头连接，且所述第一角度传感器、所述第二角度传感器和所述第三角度传感器间隔设于所述第一万向接头，所述管线传动结构沿所述支架组件延伸并连接至所述大臂骨骼结构。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述大臂骨骼结构包括肱骨，所述肱骨的一端与所述肩关节结构连接，另一端与所述肘关节结构连接，且所述肱骨呈中空结构设置，以供所述管线传动结构穿设。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述肘关节结构包括铰链和第四角度传感器，所述铰链的一端与所述大臂骨骼结构连接，另一端与所述小臂骨骼结构连接，所述第四角度传感器设于所述铰链。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述小臂骨骼结构包括桡骨、尺骨及第五角度传感器，所述桡骨和所述尺骨与所述肘关节结构连接，且所述桡骨与所述尺骨球铰连接，所述第五角度传感器设于所述桡骨和所述尺骨的球铰连接处，所述桡骨远离所述肘关节的一端与所述腕关节连接。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述腕关节结构包括第二万向接头、第六角度传感器和第七角度传感器，所述第二万向接头的一端与所述小臂骨骼结构连接，另一端与所述手结构连接，所述第六角度传感器和所述第七角度传感器间隔设于所述第二万向接头。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述手结构包括手掌、小拇指、无名指、中指、食指、大拇指和多个舵机，所述手掌、所述小拇指、所述无名指、所述中指、所述食指和所述大拇指均至少与一所述舵机对应设置，且所述手掌、所述小拇指、所述无名指、所述中指、所述食指和所述大拇指均连接有所述管线传动结构。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，所述管线传动结构包括传动管和线绳，所述线绳活动穿设于所述传动管内，并分别连接所述人工肌肉单元组件和所述手臂组件。

本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂，通过基座安装驱动器模组、传感信息采集模组、人工肌肉单元组件以及手臂组件。驱动器模组用于将数字量转换为模拟量信号，并传输给人工肌肉单元组件，人工肌肉单元组件通过管线传动结构带动手臂组件进行相应动作，且动作信息反馈至传感信息采集模组。如此，通过人工肌肉单元组件模拟真实肌肉工作，提高手臂组件动作的柔顺性和安全性，并通过传感信息采集模组及时采集动作反馈信息，便于及时调整手臂组件，提高安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂的结构示意图；

图2是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中手臂组件的结构示意图；

图3是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中肩关节结构的结构示意图；

图4是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中肘关节结构的结构示意图；

图5是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中小臂骨骼结构的结构示意图；

图6是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中手结构的爆炸图；

图7是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中腕关节结构和手结构的结构示意图；

图8是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中手结构的剖视图；

图9是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中人工肌肉单元的结构示意图；

图10是本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂中人工肌肉单元的剖视图。

附图标记：

100、轻量化仿人肌肉骨骼机械臂；1、基座；2、驱动器模组；3、传感信息采集模组；4、人工肌肉单元组件；5、管线传动结构；6、视觉传感器；7、手臂组件；8、肩关节结构；9、大臂骨骼结构；10、肘关节结构；11、小臂骨骼结构；12、腕关节结构；13、手结构；14、人工肌肉单元；17、支架组件；23、第一万向接头；25、肱骨；27、铰链；29、桡骨；30、尺骨；32、第二万向接头；39、手掌；40、小拇指；41、无名指；42、中指；43、食指；45、舵机；47、大拇指；56、驱动件；57、编码器；58、拉力传感器；59、安装壳。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请结合参照图1和图2，本发明提供一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，包括基座1、驱动器模组2、传感信息采集模组3、人工肌肉单元组件4及手臂组件7，驱动器模组2设于基座1；传感信息采集模组3设于基座1，并与驱动器模组2电连接；人工肌肉单元组件4设于基座1，并与驱动器模组2连接，以使驱动器模组2传输信号给人工肌肉单元组件4；手臂组件7的一端与基座1活动连接，并通过管线传动结构5与人工肌肉单元组件4传动连接；其中，人工肌肉单元组件4通过管线传动结构5带动手臂组件7动作。

具体地，基座1可以包括一个基座1台面以及支撑该基座1台面的多根型材组装而成，具体的结构可以根据实际安装场地来调整，此处不做限制。可选地，基座1选用尼龙7500材料(HP3DHR-PA12)高精度3D打印制造而成，具有成本低廉、强度高满足使用力学性能，易于成型的特点。可以理解的，轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100还包括用于进行数据处理的控制器等器件，例如将驱动器模块连接至计算机。具体地，驱动器模组2用于建立工业EtherCAT通讯，目标站收到信息后经驱动器模组2将数字量转换为模拟量信号输送给人工肌肉单元组件4，并反馈信息，驱动器模组2采集经传感信息采集模组3转换后的信号，反馈至EtherCAT通讯总线传至目标站，通过UDP协议传输至开发计算机。

在一实施例中，基座1底部设有滚轮组件；可以理解的，在基座1底部设置滚轮组件，例如多个滚动轮，便于基座1的移动。

在一实施例中，基座1顶部设有视觉传感器6。用于作业过程中对目标物体或作业移动部件进行位置定位。例如对手臂组件7的动作定位或者对基座1自身的定位。

示例性的，人工肌肉单元组件4作为动力源，通过抽动管线传动结构5从而拉动手臂组件7进行动作，例如抬起、放下或转动手臂等，以模拟真实肌肉工作。可以理解的，人工肌肉单元组件4可以通过电机或者气缸配合拉力传感器58以及编码器57等抽动管线传动结构5。避免了将电机设置在手臂的关节处实现驱动手臂进行动作，且计算机通过处理人工肌肉单元组件4的相关信息可得到模拟真实肌肉的工作情况，便于研究。

本发明提供的轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，通过基座1安装驱动器模组2、传感信息采集模组3、人工肌肉单元组件4以及手臂组件7。驱动器模组2用于将数字量转换为模拟量信号，并传输给人工肌肉单元组件4，人工肌肉单元组件4通过管线传动结构5带动手臂组件7进行相应动作，且动作信息反馈至传感信息采集模组3。如此，通过人工肌肉单元组件4模拟真实肌肉工作，提高手臂组件7动作的柔顺性和安全性，并通过传感信息采集模组3及时采集动作反馈信息，便于及时调整手臂组件7，提高安全性。

根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，人工肌肉单元组件4包括若干个人工肌肉单元14，手臂组件7包括依次连接的肩关节结构8、大臂骨骼结构9、肘关节结构10、小臂骨骼结构11、腕关节结构12及手结构13，肩关节结构8与基座1连接，若干个人工肌肉单元14通过管线传动结构5分别与肩关节结构8、大臂骨骼结构9、肘关节结构10、小臂骨骼结构11及腕关节结构12连接。

需要说明的是，生物学人体手臂包括32条肌肉，不包括手部，单条肌肉包含多个着力点，关节与肌肉间为高度耦合结构。肌肉由肌腱和肌纤维结构组成，肌纤维收缩产生肌肉力带动骨骼动作。本实施例中，若干个人工肌肉单元14可分为十五个人工肌肉单元14驱动手臂组件7，具体地，分为三角肌(4条)、胸大肌(2条)、背阔肌(1条)、肱三头肌长(1条)、肱二头肌长(1条)、肱肌(1条)、肱桡肌(1条)、旋前肌(1条)、尺侧腕伸肌(1条)、桡侧腕长伸肌(1条)、尺侧腕伸肌(1条)等十五根人工肌肉单元14。由这些肌肉分别控制驱动手臂组件7的各个位置。同时，管线传动结构5包括多根管线，每一人工肌肉单元14均连接有一根管线，通过管线分别连接人工肌肉单元14和大臂骨骼结构9等，以带动骨骼动作。人工肌肉单元14的数量还可根据实际需要设置，在此不做限定。

本实施例中，手臂组件7包括七个转动自由度，其中肩关节结构8具有三个转动自由度、肘关节结构10具有一个转动自由度、小臂骨骼结构11具有一个转动自由度，腕关节结构12具有两个转动自由度，手结构13具有十五个欠驱动自由度。

请结合参照图9和图10，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，每一人工肌肉单元14包括安装壳59、驱动件56、编码器57及拉力传感器58，安装壳59设于基座1，驱动件56和拉力传感器58均设于安装壳59，编码器57装设于驱动件56，且管线传动结构5的一端经过拉力传感器58连接于驱动件56的输出端。

本实施例中，安装壳59用于安装保护驱动件56、编码器57及拉力传感器58，示例性的，驱动件56可以是电机或者气缸，在此以电机为例，在电机的输出端装设有绞盘，管线传动结构5的一端可卷绕在绞盘上，由电机驱动管线传动结构5拉动骨骼。为了收集拉力信息，在安装壳59上安装有拉力传感器58，管线传动结构5先经过拉力传感器58再卷绕于绞盘。同时，在电机上装设有编码器57，以提供编码信息。

本实施例中，每一人工肌肉单元14中设有肌肉数字化表达的算法，连接至计算机用于模拟生物学肌肉的收缩特性，算法写在驱动嵌入式板中。

请结合参照图2和图3，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，肩关节结构8包括支架组件17、第一角度传感器、第二角度传感器、第三角度传感器及第一万向接头23，第一万向接头23设于支架组件17，支架组件17远离第一万向接头23的一端与基座1连接，大臂骨骼结构9远离肘关节结构10的一端与第一万向接头23连接，且第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器间隔设于所述第一万向接头，管线传动结构5沿支架组件17延伸并连接至大臂骨骼结构9。

本实施例中，肩关节结构8的三个转动自由度动作主要由孟肱关节实现，示例性的，通过一个第一万向接头23及旋转轴结构模拟孟肱关节的球铰链27结构。具体地，支架组件17设有旋转轴结构，通过旋转轴结构与基座1侧边转动连接，以实现手臂转动。第一万向接头23用于实现大臂骨骼结构9的活动，并在此设置第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器，第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器电连接至传感信息采集模组3，用于采集角度转动信息。

如图2所示，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，大臂骨骼结构9包括肱骨25，肱骨25的一端与肩关节结构8连接，另一端与肘关节结构10连接，且肱骨25呈中空结构设置，以供管线传动结构5穿设。

本实施例中，肱骨25的一端与肩关节结构8的第一万向接头23连接，以实现转动。同时，部分的管线传动结构5连接至肱骨25，以带动肱骨25相对于肩关节结构8动作，例如抬起或者放下等。此外，肱骨25呈中空结构设置，部分的管线传动结构5在中空结构处贯穿，以连接至肱骨25下方的手臂结构，例如小臂骨骼结构11及腕关节结构12等，便于管线传动结构5的走线。

请结合参照图2和图4，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，肘关节结构10包括铰链27和第二角度传感器，铰链27的一端与大臂骨骼结构9连接，另一端与小臂骨骼结构11连接，第二角度传感器设于铰链27。

本实施例中，通过铰链27实现手臂肘关节处的收缩与舒张，并配置有第二角度传感器，便于实时收集角度转动信息，可以理解的，第二角度传感器电连接至传感信息采集模组3。

如图5所示，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，小臂骨骼结构11包括并排设置的桡骨29、尺骨30及第五角度传感器，桡骨29和尺骨30与肘关节结构10连接，且桡骨29与尺骨30球铰连接，第五角度传感器设于桡骨和尺骨的球铰连接处，桡骨29远离肘关节的一端与腕关节连接。

本实施例中，由桡骨29和尺骨30模拟人的小臂结构，可选地，桡骨29通过肘关节结构10的铰链27连接，以实现小臂结构的转动。需要说明的是，第五角度传感器电连接至传感信息采集模组3。同时，尺骨30与桡骨29球铰连接，以模拟人小臂的转动。此外，管线传动结构5可沿大臂骨骼结构9延伸以连接至桡骨29或者尺骨30，以驱动桡骨29或者尺骨30进行相应动作。进一步地，还可设置桡骨29或者尺骨30呈中空结构，便于容纳管线传动结构5穿过，便于连接至手结构13处。

如图7所示，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，腕关节结构12包括第二万向接头32、第六角度传感器和第七角度传感器，第二万向接头32的一端与小臂骨骼结构11连接，另一端与手结构13连接，第六角度传感器和第七角度传感器间隔设于第二万向接头32。

本实施例中，采用第二万向接头32实现手结构13相对于小臂骨骼结构11转动，构成两自由度关节结构。可以理解的，腕关节结构12由四根肌肉驱动两个自由度，每根肌肉包括固定着力点与移动着力点，并配置有第六角度传感器和第七角度传感器，便于实时收集角度转动信息，可以理解的，第六角度传感器和第七角度传感器均电连接至传感信息采集模组3。

如图6所示，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，手结构13包括手掌39、小拇指40、无名指41、中指42、食指43、大拇指47和多个舵机45，手掌39、小拇指40、无名指41、中指42、食指43和大拇指47均至少与一舵机45对应设置，且手掌39、小拇指40、无名指41、中指42、食指43和大拇指47均连接有管线传动结构5。

本实施例中，手结构13选用手指关节单作用舵机45欠驱动式结构，整个手部由六个舵机45配合管线传动结构5驱动，其中大拇指47由两个舵机45驱动，其余四个手指各一个舵机45驱动。当然，于其他实施例中，舵机45的数量也可根据实际需要调整，在此不做限定。需要说明的是，抓握动作由舵机45驱动，手指复位通过关节扭簧结构实现。核心转动部件采用铝合金CNC加工工艺制成，例如每个手指的关节转动处，其余如手指等选用高性能尼龙材料制成，重量更轻，便于控制。

如图1所示，根据本发明提供的一种轻量化仿人肌肉骨骼机械臂100，管线传动结构5包括传动管和线绳，线绳活动穿设于传动管内，并分别连接人工肌肉单元组件4和手臂组件7。

本实施例中，管线传动结构5由传动管和线绳组成，为了控制手臂组件7的多个部分，传动管和线绳的数量可以为多根。线绳活动穿设于传动管内，并分别连接于人工肌肉单元组件4和手臂组件7，不同的线绳连接手臂组件7的不同位置。传动管可为软管，例如橡胶或者硅胶管等，以保护线绳。当然，也可以是由润滑PTFE管、金属管、橡胶管三层组成。线绳在管内自由滑动，可传递轴向拉力，且线绳可选地由聚乙烯纤维加捻编织而成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。