專利名稱：一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于仿生機器人關節(jié)技術領域，特別是涉及一種由雙曲柄滑塊機構組成的類似于人體肌肉對抗驅動特征的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)。
背景技術：
人類關節(jié)具有動作靈活，重量輕，輸出力大的特點。采用并聯(lián)對抗驅動的機器人關節(jié)由于在驅動方式上與人類關節(jié)動作原理相一致，且便于對人類關節(jié)的動作特性進行模擬，所以越來越受到科研人員的重視。如何使機器人關節(jié)最大程度地模仿人類關節(jié)的動作原理與動作特性，從而使其具有與人類關節(jié)相似的功能特點，一直是研究人員努力的目標。在近年來出現(xiàn)的采用并聯(lián)對抗驅動的機器人關節(jié)中，有代表性的可以分為以下三類1、基于氣動人工肌肉并聯(lián)對抗驅動的機器人關節(jié)，該關節(jié)采用兩個氣動人工肌肉提供驅動力，驅動力大但定位精度低，運動過程中易產生振動。2、基于旋轉電機并聯(lián)對抗驅動的機器人關節(jié)，其特點是驅動力大、精度高，但關節(jié)部分結構較為復雜且需要加裝繞線裝置。3、基于壓電驅動器并聯(lián)對抗驅動的機器人關節(jié)，該關節(jié)雖具有結構簡單、體積小的優(yōu)點，但驅動力也小，只適用于驅動小型關節(jié)。上述三類現(xiàn)有的機器人關節(jié)機構在模仿人類關節(jié)動作方面都還存在不少的局限性。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種動作靈活、工作空間大、結構簡單且能夠模擬人類肌肉變剛度非線性驅動的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪，所述的后置曲柄滑塊機構設置有后置機架固聯(lián)直線導軌，在所述的后置機架固聯(lián)直線導軌上安裝有后置滑塊，所述的后置滑塊與后置連桿的一端相連；在后置機架回轉中心處安裝有后置定軸轉動曲柄的一端，所述的后置連桿的另一端與后置定軸轉動曲柄的另一端相連接；所述的前置曲柄滑塊機構設置有前置機架固聯(lián)直線導軌，在所述的前置機架固聯(lián)直線導軌上安裝有前置滑塊，所述的前置滑塊與前置連桿的一端相連；在前置機架回轉中心處安裝有前置定軸轉動曲柄的一端，所述的前置連桿的另一端與前置定軸轉動曲柄的另一端相連接；在定滑輪回轉中心處安裝有定滑輪，所述的定滑輪上安裝有柔索，所述的柔索的一端同后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處相連接，另一端同前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處相連接。所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用水平對置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心位于后置機架固聯(lián)直線導軌的延長線上，前置機架回轉中心位于前置機架固聯(lián)直線導軌的延長線上。所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用偏置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心及前置機架回轉中心分別分布在后置機架固聯(lián)直線導軌及前置機架固聯(lián)直線導軌延長線的兩側。在所述的定滑輪逆時針旋轉方向上的柔索一端設置有逆切向端線性彈簧和逆切向端定軸轉動壓輪，在定滑輪順時針旋轉方向上的柔索一端設置有順切向端線性彈簧和順切向端定軸轉動壓輪。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明的驅動部分為兩組曲柄滑塊機構，具有關節(jié)結構簡單，動作靈活，工作空間大的特點。2、本發(fā)明可實現(xiàn)關節(jié)的變剛度對抗驅動，具有人類肌肉中屈肌和伸肌的對抗牽拉作用特征。3、本發(fā)明所述關節(jié)的總體結構與人類手臂相似。4、本發(fā)明的曲柄滑塊機構既可以是水平對置的布置也可以是偏置的布置，曲柄滑塊機構的其它參數(shù)也可以靈活配置，以滿足關節(jié)總體結構設計需求。


圖1為本發(fā)明的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)做逆時針回轉的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)做順時針回轉的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)串聯(lián)線性彈簧后的結構示意圖；圖5為本發(fā)明的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)采用偏置曲柄滑塊機構時的結構示意圖；圖中，I一后置機架固聯(lián)直線導軌，2—前置機架固聯(lián)直線導軌，3—后置定軸轉動曲柄，4一后置連桿，5—后置滑塊，6—前置滑塊，7—前置連桿，8—前置定軸轉動曲柄，9一柔索，10—定滑輪，11 一逆切向端定軸轉動壓輪，12—逆切向端線性彈簧，13—順切向端定軸轉動壓輪，14一順切向端線性彈簧，A—后置機架回轉中心，B—后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處，C一前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處，D—前置機架回轉中心，E—定滑輪回轉中心。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。實施例1 :如圖1所示，一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪10，所述的后置曲柄滑塊機構設置有后置機架固聯(lián)直線導軌1，在所述的后置機架固聯(lián)直線導軌I上安裝有后置滑塊5，所述的后置滑塊5與后置連桿4的一端相連；在后置機架回轉中心A處安裝有后置定軸轉動曲柄3的一端，所述的后置連桿4的另一端與后置定軸轉動曲柄3的另一端相連接；所述的前置曲柄滑塊機構設置有前置機架固聯(lián)直線導軌2，在所述的前置機架固聯(lián)直線導軌2上安裝有前置滑塊6，所述的前置滑塊6與前置連桿7的一端相連；在前置機架回轉中心D處安裝有前置定軸轉動曲柄8的一端，所述的前置連桿7的另一端與前置定軸轉動曲柄8的另一端相連接；在定滑輪回轉中心E處安裝有定滑輪10，所述的定滑輪10上安裝有柔索9，所述的柔索9的一端同后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B相連接，另一端同前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C相連接。所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用水平對置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心A位于后置機架固聯(lián)直線導軌I的延長線上，前置機架回轉中心D位于前置機架固聯(lián)直線導軌2的延長線上。實施例2 如圖5所示，一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪10，所述的后置曲柄滑塊機構設置有后置機架固聯(lián)直線導軌1，在所述的后置機架固聯(lián)直線導軌I上安裝有后置滑塊5，所述的后置滑塊5與后置連桿4的一端相連；在后置機架回轉中心A處安裝有后置定軸轉動曲柄3的首端，所述的后置連桿4的另一端與后置定軸轉動曲柄3的末端相連接；所述的前置曲柄滑塊機構設置有前置機架固聯(lián)直線導軌2，在所述的前置機架固聯(lián)直線導軌2上安裝有前置滑塊6，所述的前置滑塊6與前置連桿7的一端相連；在前置機架回轉中心D處安裝有前置定軸轉動曲柄8的首端，所述的前置連桿7的另一端與前置定軸轉動曲柄8的末端相連接；在定滑輪回轉中心E處安裝有定滑輪10，所述的定滑輪10上安裝有柔索9，所述的柔索9的兩端分別與后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B及前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C相連接。所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用偏置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心A及前置機架回轉中心D分別分布在后置機架固聯(lián)直線導軌I及前置機架固聯(lián)直線導軌2延長線的兩側。實施例3 如圖4所示，一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪10，所述的后置曲柄滑塊機構設置有后置機架固聯(lián)直線導軌1，在所述的后置機架固聯(lián)直線導軌I上安裝有后置滑塊5，所述的后置滑塊5與后置連桿4的一端相連；在后置機架回轉中心A處安裝有后置定軸轉動曲柄3的首端，所述的后置連桿4的另一端與后置定軸轉動曲柄3的末端相連接；所述的前置曲柄滑塊機構設置有前置機架固聯(lián)直線導軌2，在所述的前置機架固聯(lián)直線導軌2上安裝有前置滑塊6，所述的前置滑塊6與前置連桿7的一端相連；在前置機架回轉中心D處安裝有前置定軸轉動曲柄8的首端，所述的前置連桿7的另一端與前置定軸轉動曲柄8的末端相連接；在定滑輪回轉中心E處安裝有定滑輪10，所述的定滑輪10上安裝有柔索9，所述的柔索9的兩端分別與后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B及前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C相連接。在所述的定滑輪10逆時針旋轉方向上的柔索9 一端設置有逆切向端線性彈簧12和逆切向端定軸轉動壓輪11，在定滑輪10順時針旋轉方向上的柔索9 一端設置有順切向端線性彈簧14和順切向端定軸轉動壓輪13。下面結合

本發(fā)明的具體實施例的動作過程如圖2所示，為仿肌肉驅動的機器人關節(jié)做逆時針回轉后置滑塊5沿后置機架固聯(lián)直線導軌I與前置滑塊6沿前置機架固聯(lián)直線導軌2做相配合的相背運動時，帶動后置連桿4和前置連桿7實現(xiàn)導軌兩側的后置定軸轉動曲柄3和前置定軸轉動曲柄8的運動，導致后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B和前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C空間位置的變化。由于柔索9的兩端分別與后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B和前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C相連，柔索9上側伸長，柔索9下側收縮，由于柔索9與定滑輪10之間不存在滑動摩擦，故帶動定滑輪10逆時針回轉，最終實現(xiàn)驅動關節(jié)做逆時針回轉。如圖3所示，為仿肌肉驅動的機器人關節(jié)做順時針回轉后置滑塊5沿后置機架固聯(lián)直線導軌I與前置滑塊6沿前置機架固聯(lián)直線導軌2做相配合的相向運動時，帶動后置連桿4和前置連桿7實現(xiàn)導軌兩側的后置定軸轉動曲柄3和前置定軸轉動曲柄8的運動，導致后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B和前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C空間位置的變化。由于柔索9的兩端分別與后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處B和前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處C相連，柔索9上側收縮，柔索9下側伸長，由于柔索9與定滑輪10之間不存在滑動摩擦，故帶動定滑輪10順時針回轉，最終實現(xiàn)驅動關節(jié)做順時針回轉。如圖4所示，為仿肌肉驅動的機器人關節(jié)串聯(lián)線性彈簧在圖1所示的結構基礎上，在定滑輪10逆時針旋轉方向上柔索9 一端設置有逆切向端線性彈簧12和逆切向端定軸轉動壓輪11，在定滑輪10順時針旋轉方向上柔索9 一端設置有順切向端線性彈簧14和順切向端定軸轉動壓輪13。當后置滑塊5沿后置機架固聯(lián)直線導軌I與前置滑塊6沿前置機架固聯(lián)直線導軌2做相配合的向左運動時，帶動后置連桿4和前置連桿7實現(xiàn)導軌兩側的柔索9產生相同的拉伸量，此時定滑輪10不發(fā)生轉動，而仿肌肉驅動的機器人關節(jié)卻在剛度上有所增加，反之剛度降低。若兩滑塊間相配合的做相背運動，定滑輪10逆時針轉動，動作原理同圖2。若兩滑塊間相配合的做相向運動，定滑輪10順時針轉動，動作原理同圖3。如圖5所示，為仿肌肉驅動的機器人關節(jié)采用偏置曲柄滑塊機構在圖1所示的結構基礎上，后置機架回轉中心A及前置機架回轉中心D分別分布在后置機架固聯(lián)直線導軌I及前置機架固聯(lián)直線導軌2延長線的兩側。因為后置機架回轉中心A及前置機架回轉中心D在導軌兩側的位置可以有多種變化，由此也會帶來仿肌肉驅動的機器人關節(jié)驅動性能的改變。因此恰當?shù)钠每梢栽龃蠓录∪怛寗拥臋C器人關節(jié)的工作空間，減小結構尺寸，改善整體性能。若兩滑塊間相配合的做相背運動，定滑輪10逆時針轉動，動作原理同圖2。若兩滑塊間相配合的做相向運動，定滑輪10順時針轉動，動作原理同圖3。
權利要求
1.一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，其特征在于包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪，所述的后置曲柄滑塊機構設置有后置機架固聯(lián)直線導軌，在所述的后置機架固聯(lián)直線導軌上安裝有后置滑塊，所述的后置滑塊與后置連桿的一端相連；在后置機架回轉中心處安裝有后置定軸轉動曲柄的一端，所述的后置連桿的另一端與后置定軸轉動曲柄的另一端相連接；所述的前置曲柄滑塊機構設置有前置機架固聯(lián)直線導軌，在所述的前置機架固聯(lián)直線導軌上安裝有前置滑塊，所述的前置滑塊與前置連桿的一端相連；在前置機架回轉中心處安裝有前置定軸轉動曲柄的一端，所述的前置連桿的另一端與前置定軸轉動曲柄的另一端相連接；在定滑輪回轉中心處安裝有定滑輪，所述的定滑輪上安裝有柔索，所述的柔索的一端同后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處相連接，另一端同前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處相連接。
2.根據權利要求1所述的一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，其特征在于所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用水平對置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心位于后置機架固聯(lián)直線導軌的延長線上，前置機架回轉中心位于前置機架固聯(lián)直線導軌的延長線上。
3.根據權利要求1所述的一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，其特征在于所述的后置曲柄滑塊機構和前置曲柄滑塊機構采用偏置曲柄滑塊機構，后置機架回轉中心及前置機架回轉中心分別分布在后置機架固聯(lián)直線導軌及前置機架固聯(lián)直線導軌延長線的兩側。
4.根據權利要求1所述的一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，其特征在于在所述的定滑輪逆時針旋轉方向上的柔索一端設置有逆切向端線性彈簧和逆切向端定軸轉動壓輪，在定滑輪順時針旋轉方向上的柔索一端設置有順切向端線性彈簧和順切向端定軸轉動壓輪。
全文摘要
一種仿肌肉驅動的機器人關節(jié)，屬于仿生機器人關節(jié)技術領域，特別是涉及一種由雙曲柄滑塊機構組成的類似于人體肌肉對抗驅動特征的仿肌肉驅動的機器人關節(jié)。本發(fā)明動作靈活、工作空間大、結構簡單且能夠模擬人類肌肉變剛度非線性驅動。本發(fā)明包括后置曲柄滑塊機構、前置曲柄滑塊機構和定滑輪，后置、前置曲柄滑塊機構設置有機架固聯(lián)直線導軌，在機架固聯(lián)直線導軌上安裝有滑塊，滑塊與連桿一端相連；在機架回轉中心處安裝有定軸轉動曲柄的首端，連桿的另一端與定軸轉動曲柄的末端相連接；在定滑輪回轉中心處安裝有定滑輪，定滑輪上安裝有柔索，柔索的兩端分別與后置定軸轉動曲柄與后置連桿連接處及前置定軸轉動曲柄與前置連桿連接處相連。
文檔編號B25J17/02GK103029135SQ201210540729
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權日2012年12月13日
發(fā)明者房立金, 劉振豪 申請人:東北大學