專利名稱：機構參數(shù)可調(diào)的通用型氣動肌肉仿生關節(jié)機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于仿生機構設計領域，涉及一種雙氣動肌肉驅(qū)動的、仿生機器人用的柔性關節(jié)裝置。
背景技術：
多數(shù)的仿生機構中轉(zhuǎn)動關節(jié)采用定軸轉(zhuǎn)動方式，機構便于實現(xiàn)，控制簡單。但動物和人類的骨骼型轉(zhuǎn)動并不是定軸轉(zhuǎn)動方式，而是復雜的骨頭端面曲面相互的嚙合滑動，類似于機械中的凸輪機構，但曲面要復雜的多。多連桿機構的轉(zhuǎn)動機構是目前仿生機構設計中的熱點和方向。同時，電機驅(qū)動的機構，運動剛性大，不具備柔順性，模擬動物和人類肢體的柔順性運動特性很困難。氣動人工肌肉是一種充氣作用下，直徑會變粗，長度會縮短的氣動執(zhí)行器，越來越多地被用于仿生機構中。常見的氣動肌肉驅(qū)動的關節(jié)多采用滑輪結(jié)構。氣動人工肌肉驅(qū)動的多連桿轉(zhuǎn)動機構是仿生機構研究領域的重點，尤其是四連桿機構。但目前的設計方式是根據(jù)需要模擬的運動軌跡來進行多連桿機構綜合，確定機構參數(shù)。不同的運動軌跡和關節(jié)轉(zhuǎn)動要求，需要不同參數(shù)的機構。由于仿生機構的運動軌跡和轉(zhuǎn)動特性變化大，使得仿生機構設計工作變得繁瑣。氣動人工肌肉驅(qū)動的仿人靈巧手結(jié)構(200610066259. I)，氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂(200710098051.2)，一種基于氣動人工肌肉的柔性機械手(200910098976. 6)，機器人的關節(jié)驅(qū)動裝置(201010233153. 2)等專利都采用了氣動肌肉作為關節(jié)驅(qū)動器，但氣動肌肉與肢體或關節(jié)都采用了固定鏈接，且氣動肌肉的安裝不可調(diào)節(jié)，關節(jié)的轉(zhuǎn)動特性固定。若能設計出一種機構參數(shù)可根據(jù)運動要求進行調(diào)節(jié)的仿生關節(jié)機構，其通用性強、適用面廣，將大大降低仿生機構設計工作量，且可提高機構工作性能和仿生性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供了機構參數(shù)可調(diào)的通用型氣動肌肉仿生關節(jié)機構。本發(fā)明包括上連接桿、下連接桿、轉(zhuǎn)軸連接塊、轉(zhuǎn)軸、彈簧擋板組件、下支撐板轉(zhuǎn)軸槽、轉(zhuǎn)軸槽、上支撐桿、下支撐桿、調(diào)長螺母、壓緊彈簧、左氣動肌肉和右氣動肌肉等。上連桿和下連桿用于連接仿生機構中需要相對轉(zhuǎn)動的兩個肢體；上連桿固定安裝在轉(zhuǎn)軸連接塊上；轉(zhuǎn)軸連接塊中開有三個橢圓跑道形轉(zhuǎn)軸槽，上支撐轉(zhuǎn)軸槽、左轉(zhuǎn)軸槽和右轉(zhuǎn)軸槽；上支撐轉(zhuǎn)軸槽垂直方向開，上端安裝有預壓縮后的壓緊彈簧，壓緊彈簧的下端面被彈簧擋板組件擋住，限制了壓緊彈簧的伸長；彈簧擋板組件由中空的擋板和兩端的鎖緊螺母組成，位置可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)軸穿過彈簧擋板組件的擋板中間，并被壓緊彈簧的下端面頂住，轉(zhuǎn)軸的位置也可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)調(diào)節(jié)；水平方向的左轉(zhuǎn)軸槽和右轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)對應安裝有同樣結(jié)構的左轉(zhuǎn)軸螺母組件和右轉(zhuǎn)軸螺母組件；左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件分別通過連桿與左、右氣動肌肉上端連接；連桿可分別繞左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件轉(zhuǎn)動；左、右氣動肌肉下端分別通過連桿和左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽連接；上支撐桿與上支撐轉(zhuǎn)軸槽中的轉(zhuǎn)軸連接，并可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；上支撐桿通過調(diào)長螺母與下支撐桿連接，并可通過調(diào)長螺母的旋緊和放松來調(diào)節(jié)長度；下支撐桿與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽固定連接；左、右氣動肌肉下端的接頭上分別開有左、右調(diào)節(jié)氣壓口，并可通過左、右調(diào)節(jié)氣壓口分別調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉內(nèi)腔的氣壓。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有以下有益效果機構的主要參數(shù)都可調(diào)節(jié)。左右氣動肌肉與中間支撐桿的距離可分別調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)軸的高度和上支撐桿的長度可調(diào)節(jié)，從而使得機構可根據(jù)不同的運動軌跡要求，進行調(diào)節(jié)，增強了機構的通用性。當轉(zhuǎn)軸和左右氣動肌肉的轉(zhuǎn)軸螺母組件在同一高度上，且左右氣動肌肉距離中間支撐桿等距時，機構為通常的對稱運動機構。當轉(zhuǎn)軸向上調(diào)節(jié)時，機構在相同的氣動肌肉收縮量下，擺動角度會變大。當左轉(zhuǎn)軸螺母組件向中間支撐桿靠近時，機構向左側(cè)擺動角度范圍會大于向右側(cè)擺動角度范圍。
可通過調(diào)節(jié)壓緊彈簧的預應力來設定關節(jié)可承受的最大軸向壓力，壓力過大時，轉(zhuǎn)軸可壓縮壓緊彈簧，從而增強仿生關節(jié)的安全性。本機構可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸槽中的位置，來適應不同的應用場合，如肩關節(jié)(雙向擺動)、肘關節(jié)(單向擺動)等。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示，機構參數(shù)可根據(jù)運動要求進行調(diào)節(jié)的仿生關節(jié)機構包括上連接桿I、下連接桿13、轉(zhuǎn)軸連接塊20、轉(zhuǎn)軸4、彈簧擋板組件3、下支撐板轉(zhuǎn)軸槽12、左轉(zhuǎn)軸槽19、右轉(zhuǎn)軸槽7、上支撐桿5、下支撐桿14、調(diào)長螺母15、壓緊彈簧21、左氣動肌肉17和右氣動肌肉10等。上連桿I和下連桿13與連接仿生機構中需要相對轉(zhuǎn)動的兩個肢體分別固定連接；上連桿I固定安裝在轉(zhuǎn)軸連接塊20上；轉(zhuǎn)軸連接塊20中開有三個橢圓跑道形轉(zhuǎn)軸槽，上支撐轉(zhuǎn)軸槽2、左轉(zhuǎn)軸槽19和右轉(zhuǎn)軸槽7。上支撐轉(zhuǎn)軸槽2垂直方向開，上端安裝有預壓縮后的壓緊彈簧21，壓緊彈簧21的下端面被彈簧擋板組件3擋住，限制了壓緊彈簧21的伸長；彈簧擋板組件3由中空的擋板和兩端的鎖緊螺母組成，位置可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽2內(nèi)調(diào)節(jié) ’轉(zhuǎn)軸4穿過彈簧擋板組件3的擋板中間，并被壓緊彈簧21的下端面頂住，轉(zhuǎn)軸4的位置也可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽2內(nèi)調(diào)節(jié)；水平方向的左轉(zhuǎn)軸槽19和右轉(zhuǎn)軸槽7內(nèi)對應安裝有同樣結(jié)構的左轉(zhuǎn)軸螺母組件18和右轉(zhuǎn)軸螺母組件6 ;右轉(zhuǎn)軸螺母組件6與連桿8連接，連桿8可繞右轉(zhuǎn)軸螺母組件6轉(zhuǎn)動；連桿8通過接頭9與右氣動肌肉10上端連接；右氣動肌肉10下端通過同樣的接頭9、連桿8和右轉(zhuǎn)軸螺母組件6與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽12連接；左氣動肌肉17的上端通過同樣的接頭9和連桿8與左轉(zhuǎn)軸螺母組件18連接；左氣動肌肉17的上端通過同樣的接頭9、連桿8和左轉(zhuǎn)軸螺母組件18與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽12連接；上支撐桿5與上支撐轉(zhuǎn)軸槽2中的轉(zhuǎn)軸4連接,并可繞轉(zhuǎn)軸4轉(zhuǎn)動；上支撐桿5通過調(diào)長螺母15與下支撐桿14連接，并可通過調(diào)長螺母15的旋緊和放松來調(diào)節(jié)中間支撐桿的總體長度；下支撐桿14與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽12固定連接；右氣動肌肉10下端的接頭9上開有調(diào)節(jié)氣壓口 11 ;右氣動肌肉17下端的接頭9上開有調(diào)節(jié)氣壓口 16，并可通過電磁比例閥和左、右氣壓調(diào)節(jié)口 16、11， 來調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉17、10內(nèi)腔的氣壓；調(diào)高左氣動肌肉17內(nèi)腔壓力時，右氣動肌肉10 內(nèi)腔應與大氣相同，左氣動肌肉17收縮變短，右氣動肌肉10被拉長，且此時機構向左擺動； 調(diào)高右氣動肌肉10內(nèi)腔壓力時，左氣動肌肉17內(nèi)腔應與大氣相同，右氣動肌肉10收縮變短，左氣動肌肉17被拉長，且此時機構向右擺動。
當需要調(diào)節(jié)機構參數(shù)以適應不同的運動需求時，對于中間支撐桿，可通過先放松緊固螺母3，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸4在上支撐轉(zhuǎn)軸槽2中的位置，調(diào)節(jié)好后，通過旋緊緊固螺母3來固定轉(zhuǎn)軸4的位置；對于左、右氣動肌肉17、10，采用相同的調(diào)節(jié)方式。通過調(diào)節(jié)彈簧擋板組件3 在上支撐轉(zhuǎn)軸槽2中的位置，可調(diào)節(jié)壓緊彈簧21的預應力，從而改變關節(jié)可承受最大軸向力設置。
由于氣動肌肉只能收縮，被拉長量很小，所以在安裝時，初始狀態(tài)時，左、右氣動肌肉17、10都需要先收縮預緊。
權利要求
1.機構參數(shù)可調(diào)的通用型氣動肌肉仿生關節(jié)機構，包括上連接桿(I)、下連接桿(13)、轉(zhuǎn)軸連接塊(20)、轉(zhuǎn)軸(4)、彈簧擋板組件(3)、下支撐板轉(zhuǎn)軸槽(12)、左轉(zhuǎn)軸槽(19)、右轉(zhuǎn)軸槽(7)、上支撐桿(5)、下支撐桿(14)、調(diào)長螺母(15)、壓緊彈簧(21)、左氣動肌肉(17)和右氣動肌肉(10)，其特征在于上連桿(I)和下連桿(13)用于連接仿生機構中需要相對轉(zhuǎn)動的兩個肢體；上連桿(I)固定安裝在轉(zhuǎn)軸連接塊(20)上；轉(zhuǎn)軸連接塊(20)中開有三個橢圓跑道形轉(zhuǎn)軸槽，上支撐轉(zhuǎn)軸槽(2)、左轉(zhuǎn)軸槽(19)和右轉(zhuǎn)軸槽(7);上支撐轉(zhuǎn)軸槽(2)垂直方向開，上端安裝有預壓縮后的壓緊彈簧(21)，壓緊彈簧(21)的下端面被彈簧擋板組件(3)擋住，限制了壓緊彈簧(21)的伸長；彈簧擋板組件(3)由中空的擋板和兩端的鎖緊螺母組成，位置可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽(2)內(nèi)調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)軸(4)穿過彈簧擋板組件(3)的擋板中間，并被壓緊彈簧(21)的下端面頂住，轉(zhuǎn)軸(4)的位置也可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽(2)內(nèi)調(diào)節(jié)；水平方向的左轉(zhuǎn)軸槽(19)和右轉(zhuǎn)軸槽(7)內(nèi)對應安裝有同樣結(jié)構的左轉(zhuǎn)軸螺母組件(18)和右轉(zhuǎn)軸螺母組件￠);左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件(18、6)分別通過連桿(8)與左、右氣動肌肉(17、10)上端連接；連桿(8)可分別繞左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件(18、6)轉(zhuǎn)動；左、右氣動肌肉(17、10)下端分別通過連桿⑶和左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件(18、6)與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽(12)連接；上支撐桿(5)與上支撐轉(zhuǎn)軸槽(2)中的轉(zhuǎn)軸(4)連接，并可繞轉(zhuǎn)軸(4)轉(zhuǎn)動；上支撐桿(5)通過調(diào)長螺母(15)與下支撐桿(14)連接，并可通過調(diào)長螺母(15)的旋緊和放松來調(diào)節(jié)長度；下支撐桿(14)與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽(12)固定連接；左、右氣動肌肉(17、10)下端的接頭上分別開有左、右調(diào)節(jié)氣壓口(16、11)，并可通過左、右調(diào)節(jié)氣壓口(16、11)分別調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉(17、10)內(nèi)腔的氣壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及機構參數(shù)可調(diào)的通用型氣動肌肉仿生關節(jié)機構，包括上連接桿、下連接桿、轉(zhuǎn)軸連接塊、轉(zhuǎn)軸、彈簧擋板組件、下支撐板轉(zhuǎn)軸槽、轉(zhuǎn)軸槽、上支撐桿、下支撐桿、調(diào)長螺母、壓緊彈簧、左氣動肌肉和右氣動肌肉等。上連桿和下連桿用于連接仿生機構中需要相對轉(zhuǎn)動的兩個肢體。轉(zhuǎn)軸連接塊中開有三個橢圓跑道形轉(zhuǎn)軸槽，上支撐轉(zhuǎn)軸槽、左轉(zhuǎn)軸槽和右轉(zhuǎn)軸槽。左右氣動肌肉與中間支撐桿的距離可分別調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)軸的高度和上支撐桿的長度可調(diào)節(jié)，從而使得機構可根據(jù)不同的運動軌跡要求，進行調(diào)節(jié)，增強了機構的通用性。本機構可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸槽中的位置，來適應不同的應用場合，可通過壓緊彈簧來調(diào)節(jié)安全性。
文檔編號B25J17/02GK102922536SQ20121041554
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權日2012年10月16日
發(fā)明者王斌銳, 金英連, 程苗, 駱浩華, 方水光 申請人:中國計量學院