拮抗式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸大轉(zhuǎn)角仿生膝關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種拮抗式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸大轉(zhuǎn)角仿生膝關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)一般采用定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，仿生特性不夠突出。人和動(dòng)物的關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有別于這種定軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式，而是在肌肉及肌腱拉動(dòng)下，促使關(guān)節(jié)間兩軟骨端面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。由于軟骨端面的曲率比較復(fù)雜，因此人和動(dòng)物關(guān)節(jié)的這種轉(zhuǎn)動(dòng)可看作是轉(zhuǎn)軸位置在變化的一種轉(zhuǎn)動(dòng)方式，即變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)有的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式一般為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式由于需要加裝減速裝置，使得機(jī)構(gòu)復(fù)雜臃腫。同時(shí)關(guān)節(jié)在擺動(dòng)過程中往往使得電機(jī)處于頻繁加減速的運(yùn)行狀態(tài)，效率低下。另外，電機(jī)作為一種剛性驅(qū)動(dòng)元件，導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的仿生性能欠佳。氣動(dòng)肌肉作為一種新型氣動(dòng)執(zhí)行元件，充氣后可以實(shí)現(xiàn)軸向收縮和徑向膨脹，具有很強(qiáng)的生物肌肉特性，同時(shí)具有功率重量比高、響應(yīng)速度快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人、仿生機(jī)械等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]當(dāng)前采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)多為拮抗式和并聯(lián)式。由于氣動(dòng)肌肉的收縮率有限，使得關(guān)節(jié)的擺角范圍十分有限，且達(dá)不到人類和動(dòng)物關(guān)節(jié)的仿生效果。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)[申請(qǐng)?zhí)?201310460748.5]公開了一種氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸仿生關(guān)節(jié)，包括筒身，筒身上側(cè)固設(shè)有上法蘭，筒身一側(cè)穿設(shè)有第一柔性連桿組件，另一側(cè)穿設(shè)有第二柔性連桿組件，筒身下側(cè)穿設(shè)有第三柔性連桿組件，筒身內(nèi)上側(cè)設(shè)有彈性件，筒身內(nèi)設(shè)有具有內(nèi)凹側(cè)邊弧形的曲線邊緣轉(zhuǎn)盤，曲線邊緣轉(zhuǎn)盤上固連有下法蘭。該設(shè)計(jì)具有很好的仿生特性，但是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，在工作時(shí)曲線邊緣轉(zhuǎn)盤與彈性件為滑動(dòng)摩擦，使得控制難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，提出了一種拮抗式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸大轉(zhuǎn)角仿生膝關(guān)節(jié)。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:它包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圓弧形齒條、限位塊、關(guān)節(jié)座、第一軸銷、第二軸銷、關(guān)節(jié)軸、第一直齒輪、第二直齒輪、第一軸承、第二軸承、第一氣動(dòng)肌肉、第二氣動(dòng)肌肉、I型接頭和關(guān)節(jié)支架。第一上固定座與第二上固定座之間設(shè)置有關(guān)節(jié)座，關(guān)節(jié)座的一端通過第一軸銷與第一上固定座、第二上固定座相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉的一端固接有I型接頭，且同樣通過第一軸銷與第一上固定座和第二上固定座相鉸接。關(guān)節(jié)支架的一端通過關(guān)節(jié)軸與關(guān)節(jié)座相鉸接，關(guān)節(jié)軸與關(guān)節(jié)座之間設(shè)置有第一軸承且關(guān)節(jié)軸與關(guān)節(jié)支架固接。第二氣動(dòng)肌肉的一端固接有I型接頭且通過第二軸銷與關(guān)節(jié)座的另一端相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉、第二氣動(dòng)肌肉以及關(guān)節(jié)支架的另一端均與下固定座固接。關(guān)節(jié)軸的兩端分別固接有第一直齒輪，第二軸銷的兩端分別設(shè)置有第二直齒輪，第二直齒輪與第二軸銷之間設(shè)置有第二軸承，第一直齒輪與第二直齒輪嚙合。所述的第一上固定座和第二上固定座中部鏤空，靠第二直齒輪左側(cè)的鏤空面為以第一軸銷為圓心的圓弧面，且圓弧面上設(shè)置有若干內(nèi)齒形成圓弧形齒條。圓弧形齒條的分度圓半徑等于以第一軸銷到第二軸銷的距離與第二直齒輪分度圓半徑之和，且圓弧形齒條與第二直齒輪嚙合。在第一上固定座與第二上固定座之間以及關(guān)節(jié)座上方還設(shè)置有限位塊。
[0006]本發(fā)明采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能以及柔順性好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)節(jié)在不同的轉(zhuǎn)角下，關(guān)節(jié)軸的位置也在發(fā)生變化，其軌跡為一圓弧。氣動(dòng)肌肉拉動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的關(guān)節(jié)支架擺動(dòng)效果與齒輪傳動(dòng)引起的關(guān)節(jié)座擺動(dòng)效果疊加，增加了關(guān)節(jié)的擺角范圍。對(duì)于膝關(guān)節(jié)來說，即實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)末端更高的離地高度，有利于完成越障、攀爬等動(dòng)作。同時(shí)本發(fā)明很好的模擬了人類膝關(guān)節(jié)只能單側(cè)擺動(dòng)的特性，值得應(yīng)用。
【附圖說明】
[0007]圖1是關(guān)節(jié)的前視圖；
圖2是關(guān)節(jié)的局部剖面圖；
圖3是關(guān)節(jié)的局部左視圖；
圖4是關(guān)節(jié)工作示意圖。
[0008]圖中，101、第一上固定座；102、第二上固定座；la、圓弧形齒條；lb、限位塊;2、關(guān)節(jié)座;301、第一軸銷；302、第二軸銷;4、關(guān)節(jié)軸；501、第一直齒輪;502、第二直齒輪;601、第一軸承;602、第二軸承;701、第一氣動(dòng)肌肉；702、第二氣動(dòng)肌肉；8、1型接頭;9、關(guān)節(jié)支架。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0010]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明包括第一上固定座101、第二上固定座102、下固定座103、圓弧形齒條la、限位塊lb、關(guān)節(jié)座2、第一軸銷301、第二軸銷302、關(guān)節(jié)軸4、第一直齒輪501、第二直齒輪502、第一軸承601、第二軸承602、第一氣動(dòng)肌肉701、第二氣動(dòng)肌肉702、1型接頭8和關(guān)節(jié)支架9。第一上固定座101與第二上固定座102之間設(shè)置有關(guān)節(jié)座2，關(guān)節(jié)座2的一端通過第一軸銷301與第一上固定座101、第二上固定座102相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉701的一端固接有I型接頭8，且同樣通過第一軸銷301與第一上固定座101和第二上固定座102相鉸接。關(guān)節(jié)支架9的一端通過關(guān)節(jié)軸4與關(guān)節(jié)座2相鉸接，關(guān)節(jié)軸4與關(guān)節(jié)座2之間設(shè)置有第一軸承601且關(guān)節(jié)軸4與關(guān)節(jié)支架9固接。第二氣動(dòng)肌肉702的一端固接有I型接頭8且通過第二軸銷302與關(guān)節(jié)座2的另一端相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉701、第二氣動(dòng)肌肉702以及關(guān)節(jié)支架9的另一端均與下固定座103固接。關(guān)節(jié)軸4的兩端分別固接有第一直齒輪501，第二軸銷302的兩端分別設(shè)置有第二直齒輪502，第二直齒輪502與第二軸銷302之間設(shè)置有第二軸承602。所述的第一上固定座101和第二上固定座102中部鏤空，靠第二直齒輪502左側(cè)的鏤空面為以第一軸銷301為圓心的圓弧面，且圓弧面上設(shè)置有若干內(nèi)齒形成圓弧形齒條la。圓弧形齒條Ia的分度圓半徑等于以第一軸銷301到第二軸銷302的距離與第二直齒輪502分度圓半徑之和，且圓弧形齒條Ia與第二直齒輪502嚙合。在第一上固定座101與第二上固定座102之間以及關(guān)節(jié)座2上方還設(shè)置有限位塊lb。
[0011]本發(fā)明裝置的工作過程:首先給定第一氣動(dòng)肌肉701和第二氣動(dòng)肌肉702內(nèi)部相同氣壓，使得關(guān)節(jié)處于豎直狀態(tài)。接著逐漸增大第一氣動(dòng)肌肉701內(nèi)部氣壓，同時(shí)逐漸減小第二氣動(dòng)肌肉702內(nèi)部氣壓，關(guān)節(jié)支架9將以關(guān)節(jié)軸4為軸心逆時(shí)針擺動(dòng)。由于關(guān)節(jié)軸4與第一直齒輪501以及關(guān)節(jié)支架9均固接，因此關(guān)節(jié)支架9的擺動(dòng)將帶動(dòng)第一直齒輪501逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得與之嚙合的第二直齒輪502順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最后第二直齒輪502在弧形齒條Ia上嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，使得整個(gè)關(guān)節(jié)座2以第一軸銷301為軸心逆時(shí)針擺動(dòng)。如圖4所示，第一氣動(dòng)肌肉701和第二氣動(dòng)肌肉702拉動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的關(guān)節(jié)支架9的擺動(dòng)效果與齒輪傳動(dòng)引起的關(guān)節(jié)座2的擺動(dòng)效果疊加，增加了關(guān)節(jié)的擺角范圍。對(duì)于膝關(guān)節(jié)來說，即實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)末端更高的離地高度，有利于完成越障、攀爬等動(dòng)作。限位塊Ib不僅起到固定第一上固定座101、第二上固定座102的作用，同時(shí)限制關(guān)節(jié)座2上擺，即使得關(guān)節(jié)只能逆時(shí)針擺動(dòng)，從而讓關(guān)節(jié)具備人類膝關(guān)節(jié)只能單側(cè)擺動(dòng)的特性。
[0012]以上所述僅是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例，凡是在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下對(duì)本發(fā)明所做的各種改變和改進(jìn)，都不會(huì)超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.拮抗式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸大轉(zhuǎn)角仿生膝關(guān)節(jié)，包括第一上固定座(101)、第二上固定座(102)、下固定座(103)、圓弧形齒條(Ia)、限位塊(Ib)、關(guān)節(jié)座(2)、第一軸銷(301)、第二軸銷(302)、關(guān)節(jié)軸(4)、第一直齒輪(501)、第二直齒輪(502)、第一軸承(601)、第二軸承(602)、第一氣動(dòng)肌肉(701)、第二氣動(dòng)肌肉(702)、I型接頭(8)和關(guān)節(jié)支架(9)，其特征在于:第一上固定座(101)與第二上固定座(102)之間設(shè)置有關(guān)節(jié)座(2)，關(guān)節(jié)座(2)的一端通過第一軸銷(301)與第一上固定座(101)、第二上固定座(102)相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉(701)的一端固接有I型接頭(8)，且同樣通過第一軸銷(301)與第一上固定座(101)、第二上固定座(102)相鉸接;關(guān)節(jié)支架(9)的一端通過關(guān)節(jié)軸(4)與關(guān)節(jié)座(2)相鉸接，關(guān)節(jié)軸(4)與關(guān)節(jié)座(2)之間設(shè)置有第一軸承(601)且關(guān)節(jié)軸(4)與關(guān)節(jié)支架(9)固接;第二氣動(dòng)肌肉(702)的一端固接有I型接頭(8)且通過第二軸銷(302)與關(guān)節(jié)座(2)的另一端相鉸接，第一氣動(dòng)肌肉(701)、第二氣動(dòng)肌肉(702)以及關(guān)節(jié)支架(9)的另一端均與下固定座(103)固接;關(guān)節(jié)軸(4)的兩端分別固接有第一直齒輪(501)，第二軸銷(302)的兩端分別設(shè)置有第二直齒輪(502)，第二直齒輪(502)與第二軸銷(302)之間設(shè)置有第二軸承(602)，第一直齒輪(501)與第二直齒輪(502)嚙合;所述的第一上固定座(101)和第二上固定座(102)中部鏤空，靠第二直齒輪(502)左側(cè)的鏤空面為以第一軸銷(301)為圓心的圓弧面，且圓弧面上設(shè)置有若干內(nèi)齒形成圓弧形齒條(la);圓弧形齒條(Ia)的分度圓半徑等于以第一軸銷(301)到第二軸銷(302)的距離與第二直齒輪(502)分度圓半徑之和，且圓弧形齒條(Ia)與第二直齒輪(502)嚙合;在第一上固定座(101)與第二上固定座(102)之間以及關(guān)節(jié)座(2)上方還設(shè)置有限位塊(lb)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種拮抗式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)軸大轉(zhuǎn)角仿生膝關(guān)節(jié)。本發(fā)明包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圓弧形齒條、限位塊、關(guān)節(jié)座、第一軸銷、第二軸銷、關(guān)節(jié)軸、第一直齒輪、第二直齒輪、第一軸承、第二軸承、第一氣動(dòng)肌肉、第二氣動(dòng)肌肉、I型接頭和關(guān)節(jié)支架。本發(fā)明采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能以及柔順性好等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)肌肉拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)節(jié)支架擺動(dòng)與齒輪傳動(dòng)引起的關(guān)節(jié)座擺動(dòng)疊加，增加了關(guān)節(jié)的擺角范圍。同時(shí)本發(fā)明很好的模擬了人類膝關(guān)節(jié)只能單側(cè)擺動(dòng)的特性，值得應(yīng)用。
【IPC分類】B25J17/02
【公開號(hào)】CN105538339
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610097028
【發(fā)明人】王斌銳, 沈國(guó)陽, 張斌, 王飛洋, 干蘇, 金英連
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年2月23日