一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，特别是一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的基于气动肌肉与气缸的机器人系统。

背景技术

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，可以实现灵活的弯曲、扭转，即使受到外界冲击，也不会产生较大的碰撞好冲击，因此近年来一直是机器人领域研究的热点。

目前，大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，气动肌肉由于具有和人的肌肉类似的特性，具有等压、等张、等长特性；人体肌肉在运动过程中吸收身体的氧气，排出二氧化碳，气动肌肉通过控制气动阀充放气实现动作，因此气动肌肉可以较好的运用在软体机器人设计。

CN110936367B，申请号：201911082363.3，申请日：2019-11-07，公开了一种气动仿人机器人系统以气缸驱动仿人机器人的髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由直线气缸、摆动气缸、带轮、丝杠、锥齿轮、齿形带、齿形轮以及连接件组成。髋关节和肩关节由摆动气缸通过带轮驱动，膝关节由丝杠和气缸组合驱动，脚关节由多根气缸驱动，肘关节由摆动气缸驱动，腕关节由两组变距离摆动部件和气缸并联机构组成；髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、1、4、6、2、1、4个自由度，全身共计34个自由度。CN110682305B，申请号：201910995867.8，申请日：2019-10-18，公开了一种仿人型机器人系统，腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置，以气缸、气动肌肉和弹簧组合体驱动仿人机器人的上肢装置、腰关节装置、下肢装置的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由气缸、带轮、连接件、气动肌肉和弹簧组合体、连接板、气爪等组成。摆动气缸之间结合，摆动气缸与带传动结合，气爪驱动上肢系统，气动肌肉和弹簧组合体和直线气缸驱动腰关节系统，直线气缸、直线气缸与杆结构结合驱动下肢系统。单上肢系统、腰关节系统、单下肢系统分别具有5、7、12个自由度，整个机器人共计41个自由度。CN110561457B，申请号：201910890458.1，申请日：2019-09-20，公开了基于气缸的仿人机器人系统，上肢关节装置的腰部第一连接件的两端分别可转动连接肱骨支架，肱骨支架依次连接大臂连接件，万向节和小臂连接件；腰关节装置的腰部第一摆动气缸两端设置在腰部第一连接件上，腰部第一摆动气缸固定在腰部第二连接件上，腰部第二连接件固定在腰部第二摆动气缸的转动轴上，腰部第二摆动气缸的缸体固定在腰部第三连接件上，腰部第三连接件的两侧分别可转动连接至少四个腰部气缸。

CN110936367B，CN110682305B，CN110561457B分别设计出刚性仿人机器人关节。

CN108466256B，申请号：201810344584.2，申请日：2018-04-17，公开了一种基于气动肌肉与气缸的仿人型机器人系统，以气动肌肉和气缸驱动仿人型机器人的肩关节、肘关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，该机器人主要由头骨、椎骨、肋骨、肱骨、桡骨、固定件、股骨、腓骨、气动肌肉、气缸以及脚组成。肩关节、肘关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、3、4、3、3、4个自由度，整个系统具有34个自由度，其中肩关节由9根来自椎骨的气动肌肉以柔性冗余的形式分布和驱动肩关节，小腿关节则由周边均匀分布三根气缸，中间一根气缸支撑的并联机构构成，实现转动和移动的自由切换。仅仅设计单独柔性并联关节和单独刚性并联串联的仿人机器人关节，并且仅仅为执行元件并联的形式驱动关节，并不能较为真实的反应人体关节肌肉的运动特性。需要一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的基于气动肌肉与气缸的机器人系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的基于气动肌肉与气缸的机器人系统。

一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统，包括：

腰关节，所述腰关节的两侧分别设置互为镜像的上肢关节，下部分别设置互为镜像的下肢关节；

所述腰关节的上侧板和上侧连接件可转动连接，所述上侧连接件固定连接薄壁气缸的杆，所述薄壁气缸的缸体和下侧连接件可转动连接，所述下侧连接件和下侧板固定连接，所述薄壁气缸的缸体和中间板固定连接，所述下侧板和中间板分别可转动连接短气动肌肉一、短气动肌肉二、短气动肌肉三、短气动肌肉四的两端，所述上侧板和下侧板分别可转动连接长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、长气动肌肉五、长气动肌肉六的两端；

所述下侧板和连接件一固定连接，所述连接件一固定连接髋关节部件，所述髋关节部件固定连接大腿连接件，所述大腿连接件可转动连接小腿连接件，所述小腿连接件、踝关节部件、脚依次固定连接，所述髋关节部件分别固定连接气动马达一、气动马达二，所述大腿连接件、髋关节部件分别可转动连接大腿气缸一、大腿气缸二、大腿气缸三、大腿气缸四的两端，所述大腿连接件、小腿连接件分别可转动连接膝关节气缸一膝关节气缸二，所述踝关节部件分别固定连接气动马达三、气动马达四，所述小腿连接件、脚分别可转动连接踝关节气缸一、踝关节气缸二、踝关节气缸三、踝关节气缸四的两端；

所述下肢关节的连接件一和脚之间组成下肢关节处的髋关节、膝关节、踝关节，所述下侧板通过连接板连接上肢关节处的髋关节、膝关节、踝关节，所述上肢关节处的髋关节、膝关节、踝关节通过腕关节连接板连接气爪；

计算机，所述计算机分别连接上肢关节控制系统、腰关节控制系统、下肢关节控制系统。

所述上侧板、下侧板分别为长方形。

所述短气动肌肉一、短气动肌肉二、短气动肌肉三、短气动肌肉四分别两两空间相交，均匀分布在下侧板、薄壁气缸、中间板的四周。

所述长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、长气动肌肉五、长气动肌肉六分别均匀分布在上侧板、下侧板的四周。

所述大腿气缸一、大腿气缸二、大腿气缸三、大腿气缸四成组设置，两两空间相交，所述踝关节气缸一、踝关节气缸二、踝关节气缸三、踝关节气缸四成组设置，两两空间相交。

所述气动马达一、气动马达二相互垂直，所述气动马达三、气动马达四相互垂直，所述气动马达一、气动马达三共面，所述气动马达二、气动马达四共面。

所述气动马达一的轴心和大腿气缸二、大腿气缸三所在的平面相互平行，所述气动马达二的轴心和大腿气缸一、大腿气缸四所在的平面相互平行，所述气动马达三的轴心和踝关节气缸一、踝关节气缸四所在的平面相互平行，所述气动马达四的轴心和踝关节气缸二、踝关节气缸三所在的平面相互平行。

所述膝关节气缸一、膝关节气缸二相互平行。

所述髋关节部件和踝关节部件结构相同，所述髋关节部件的支架一和支架二可转动连接，所述支架一和气动马达一的壳体固定连接，所述支架二和气动马达二的壳体固定连接，所述气动马达一的转动轴、十字架、连接件二依次固定连接，所述气动马达二的转动轴、十字架、连接件一依次固定连接，所述支架一和连接件二可转动连接，所述连接件一和支架二可转动连接，所述连接件一上可转动连接大腿气缸一和大腿气缸二，或者踝关节气缸一和踝关节气缸二，所述连接件二上可转动连接大腿气缸三和大腿气缸四，或者踝关节气缸三和踝关节气缸四。

所述计算机为控制器，所述腰关节控制系统分别控制薄壁气缸、短气动肌肉一、短气动肌肉二、短气动肌肉三、短气动肌肉四、长气动肌肉一、长气动肌肉二、长气动肌肉三、长气动肌肉四、长气动肌肉五、长气动肌肉六；

所述下肢关节控制系统分别控制下肢关节处的气动马达一、气动马达二、膝关节气缸一、膝关节气缸二、气动马达三、气动马达四、大腿气缸一、大腿气缸二、大腿气缸三、大腿气缸四、踝关节气缸一、踝关节气缸二、踝关节气缸三、踝关节气缸四；

所述上肢关节控制系统分别控制上肢关节处的气动马达一、气动马达二、膝关节气缸一、膝关节气缸二、气动马达三、气动马达四、大腿气缸一、大腿气缸二、大腿气缸三、大腿气缸四、踝关节气缸一、踝关节气缸二、踝关节气缸三、踝关节气缸四、气爪。

本发明公开了一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统，以气动马达和气缸驱动机器人关节的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。所述的一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统主要由气动肌肉、气缸、气动马达、连接件以及关节控制系统组成。髋关节、踝关节、肩关节、腕关节同时由直线气缸和气动马达一起驱动，可以分别作为主动元件和被动元件，肘关节、膝关节则由直线气缸驱动。本发明专利以气动肌肉、气缸、气动马达驱动，具有结构紧凑，运动模式多样、运动范围较广的特点，可用于教学和演示。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用气动肌肉与气缸组合驱动关节，可以同时实现关节多个方向的转动和移动运动；

2.本发明利用直线气缸和气动马达一起驱动关节，可以分别作为主动元件和被动元件，保证运动方式多样和精度调整的便利；

3.本发明髋关节、膝关节、踝关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、2、2、2、2、5个自由度，可以形象地模拟人的关节可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和各元件在机器人关节运动中的作用。

附图说明

图1是基于气动肌肉与气缸的机器人系统整体机械结构图；

图2是基于气动肌肉与气缸的机器人系统腰关节机械结构图；

图3是基于气动肌肉与气缸的机器人系统双下肢机械结构图；

图4是基于气动肌肉与气缸的机器人系统腰关节与单下肢连接机械结构图；

图5是基于气动肌肉与气缸的机器人系统单下肢机械结构图；

图6是基于气动肌肉与气缸的机器人系统髋关节机械结构图；

图7是基于气动肌肉与气缸的机器人系统双上肢机械机械结构图；

图8是基于气动肌肉与气缸的机器人系统单上肢机械机械结构图；

图9是基于气动肌肉与气缸的机器人系统控制系统方框示意图；

图中：上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、上侧板4、上侧连接件5、长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、薄壁气缸8、长气动肌肉三9、短气动肌肉一10、下侧连接件11、短气动肌肉二12、下侧板13、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、中间板16、长气动肌肉六17、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19、连接件一20、气动马达一21、气动马达二22、膝关节气缸一23、膝关节气缸二24、大腿连接件25、小腿连接件26、气动马达三27、气动马达四28、脚29、髋关节部件30、大腿气缸一31、大腿气缸二32、大腿气缸三33、大腿气缸四34、踝关节气缸一35、踝关节气缸二36、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38、踝关节部件39、支架一40、连接件一41、连接件二42、十字架43、支架二44、腕关节连接板45、气爪46、计算机47、上肢关节控制系统48、腰关节控制系统49、下肢关节控制系统50。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统，包括：腰关节2，腰关节2的两侧分别设置互为镜像的上肢关节1，下部分别设置互为镜像的下肢关节3；腰关节2的上侧板4和上侧连接件5可转动连接，上侧连接件5固定连接薄壁气缸8的杆，薄壁气缸8的缸体和下侧连接件11可转动连接，下侧连接件11和下侧板13固定连接，薄壁气缸8的缸体和中间板16固定连接，下侧板13和中间板16分别可转动连接短气动肌肉一10、短气动肌肉二12、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19的两端，上侧板4和下侧板13分别可转动连接长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、长气动肌肉三9、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、长气动肌肉六17的两端；

下侧板13和连接件一20固定连接，连接件一20固定连接髋关节部件30，髋关节部件30固定连接大腿连接件25，大腿连接件25可转动连接小腿连接件26，小腿连接件26、踝关节部件39、脚29依次固定连接，髋关节部件30分别固定连接气动马达一21、气动马达二22，大腿连接件25、髋关节部件30分别可转动连接大腿气缸一31、大腿气缸二32、大腿气缸三33、大腿气缸四34的两端，大腿连接件25、小腿连接件26分别可转动连接膝关节气缸一23膝关节气缸二24，踝关节部件39分别固定连接气动马达三27、气动马达四28，小腿连接件26、脚29分别可转动连接踝关节气缸一35、踝关节气缸二36、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38的两端；

下肢关节3的连接件一20和脚29之间组成下肢关节3处的髋关节、膝关节、踝关节，下侧板13通过连接板连接上肢关节1处的髋关节、膝关节、踝关节，上肢关节1处的髋关节、膝关节、踝关节通过腕关节连接板45连接气爪46；计算机47，计算机47分别连接上肢关节控制系统48、腰关节控制系统49、下肢关节控制系统50。

上侧板4、下侧板13分别为长方形。短气动肌肉一10、短气动肌肉二12、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19分别两两空间相交，均匀分布在下侧板13、薄壁气缸8、中间板16的四周。长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、长气动肌肉三9、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、长气动肌肉六17分别均匀分布在上侧板4、下侧板13的四周。大腿气缸一31、大腿气缸二32、大腿气缸三33、大腿气缸四34成组设置，两两空间相交，踝关节气缸一35、踝关节气缸二36、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38成组设置，两两空间相交。气动马达一21、气动马达二22相互垂直，气动马达三27、气动马达四28相互垂直，气动马达一21、气动马达三27共面，气动马达二22、气动马达四28共面。气动马达一21的轴心和大腿气缸二32、大腿气缸三33所在的平面相互平行，气动马达二22的轴心和大腿气缸一31、大腿气缸四34所在的平面相互平行，气动马达三27的轴心和踝关节气缸一35、踝关节气缸四38所在的平面相互平行，气动马达四28的轴心和踝关节气缸二36、踝关节气缸三37所在的平面相互平行。膝关节气缸一23、膝关节气缸二24相互平行。

髋关节部件30和踝关节部件39结构相同，髋关节部件30的支架一40和支架二44可转动连接，支架一40和气动马达一21的壳体固定连接，支架二44和气动马达二22的壳体固定连接，气动马达一21的转动轴、十字架43、连接件二42依次固定连接，气动马达二22的转动轴、十字架43、连接件一41依次固定连接，支架一40和连接件二42可转动连接，连接件一41和支架二44可转动连接，连接件一41上可转动连接大腿气缸一31和大腿气缸二32，或者踝关节气缸一35和踝关节气缸二36，连接件二42上可转动连接大腿气缸三33和大腿气缸四34，或者踝关节气缸三37和踝关节气缸四38。

计算机47为控制器，腰关节控制系统49分别控制薄壁气缸8、短气动肌肉一10、短气动肌肉二12、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19、长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、长气动肌肉三9、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、长气动肌肉六17；下肢关节控制系统50分别控制下肢关节3处的气动马达一21、气动马达二22、膝关节气缸一23、膝关节气缸二24、气动马达三27、气动马达四28、大腿气缸一31、大腿气缸二32、大腿气缸三33、大腿气缸四34、踝关节气缸一35、踝关节气缸二36、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38；上肢关节控制系统48分别控制上肢关节1处的气动马达一21、气动马达二22、膝关节气缸一23、膝关节气缸二24、气动马达三27、气动马达四28、大腿气缸一31、大腿气缸二32、大腿气缸三33、大腿气缸四34、踝关节气缸一35、踝关节气缸二36、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38、气爪46。

一种基于气动肌肉与气缸的机器人系统主要包括上肢关节1、腰关节2、下肢关节3，并且上肢关节1、下肢关节3的数量分别为2，两个上肢关节1的结构完全一样，两个下肢关节3的结构完全一样。

上侧连接件5一端与上侧板4可转动连接，另一端与薄壁气缸8的杆固定连接，下侧连接件11一端与薄壁气缸8的缸体可转动连接，另一端与下侧板13固定连接，中间板16与薄壁气缸8的缸体固定连接，短气动肌肉一10、短气动肌肉二12、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19两端分别与下侧板13、中间板16可转动连接；短气动肌肉一10、短气动肌肉二12、短气动肌肉三18、短气动肌肉四19一起驱动薄壁气缸8的缸体、下侧连接件11之间绕X轴、Y轴的相对转动。长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、长气动肌肉三9、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、长气动肌肉六17两端分别与上侧板4、下侧板13可转动连接。薄壁气缸8作为被动元件，由长气动肌肉一6、长气动肌肉二7、长气动肌肉三9、长气动肌肉四14、长气动肌肉五15、长气动肌肉六17驱动上侧板4、上侧连接件5之间绕X轴、Y轴、Z轴的相对转动。薄壁气缸8作为主动元件，驱动上侧板4、上侧连接件5之间沿Z轴的直线移动。

连接件一20两端分别与下侧板13、下肢固定连接。

大腿连接件25一端与髋关节部件30固定连接，另一端与小腿连接件26可转动连接，踝关节部件39一端与小腿连接件26固定连接，另一端与脚29固定连接。气动马达一21、气动马达二22与髋关节部件30固定连接；大腿气缸一31、大腿气缸二32两端分别与大腿连接件25、髋关节部件30可转动连接，大腿气缸三33、大腿气缸四34两端分别与大腿连接件25、髋关节部件30可转动连接。其中气动马达一21、大腿气缸三33、大腿气缸四34在X轴方向上，气动马达二22、大腿气缸一31、大腿气缸二32在Y轴方向上。气动马达一21、大腿气缸三33、大腿气缸四34一起驱动大腿连接件25、髋关节部件30之间绕X轴、Y轴相对转动，气动马达二22、大腿气缸一31、大腿气缸二32一起驱动大腿连接件25、髋关节部件30之间绕X轴、Y轴相对转动。膝关节气缸一23、膝关节气缸二24两端分别与大腿连接件25、小腿连接件26可转动连接，一起驱动大腿连接件25、小腿连接件26之间绕X轴、Y轴相对转动。气动马达三27与踝关节部件39固定连接，踝关节气缸三37、踝关节气缸四38两端分别与小腿连接件26、脚29可转动连接，气动马达三27、踝关节气缸三37、踝关节气缸四38一起驱动脚29、踝关节部件39之间绕X轴、Y轴相对转动。气动马达四28与踝关节部件39固定连接，踝关节气缸一35、踝关节气缸二36两端分别与小腿连接件26、脚29可转动连接，气动马达四28、踝关节气缸一35、踝关节气缸二36一起驱动脚29、踝关节部件39之间绕X轴、Y轴相对转动。

以髋关节为例说明髋关节、踝关节为例说明关节驱动方式。十字架43的形状是+，其同时与支架一40、支架二44可转动连接；气动马达一21、气动马达二22的壳体分别与支架一40、支架二44固定连接，气动马达一21、气动马达二22的转动轴均与十字架43固定连接；连接件二42、连接件一41分别与支架一40、支架二44可转动连接，连接件二42、连接件一41均与十字架43固定连接；大腿气缸一31、大腿气缸二32与连接件一41可转动连接，大腿气缸三33、大腿气缸四34与连接件二42可转动连接。

上肢关节的肩关节、肘关节、腕关节与下肢关节的髋关节、膝关节、踝关节的气动马达、气缸的结构分布、运动自由度一致，腕关节连接板45与气爪46固定连接。气爪46具有绕X轴的转动和沿Y轴、Z轴的直线移动。

计算机47通过上位机程序、以及运动学、动力学、控制器与上肢关节控制系统48、腰关节控制系统49、下肢关节控制系统50通信，进而实现对上肢关节1、腰关节2、下肢关节3的控制。

上肢关节控制系统48、腰关节控制系统49、下肢关节控制系统50控制高速开关阀或者气动比例压力阀对各气动肌肉、气缸进行充气或者放气，以实现机器人各关节和整个机器人运动到预定的位姿。

本发明，通过控制各关节的气动肌肉和气缸，实现基于气动肌肉与气缸的机器人系统位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他基于气动肌肉与气缸的机器人系统无法比拟的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。