專利名稱：氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度仿人手臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿人手臂，尤其是一種由氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿A^幾器人手
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人技術(shù)的日臻成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。困擾仿人手臂M的一 大因素正是驅(qū)動(dòng)器。關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)^A們自然而然的想到用同樣輸出旋#^: 動(dòng)的電機(jī)作為仿人手臂的動(dòng)力源?；陔?W區(qū)動(dòng)的思想勢(shì)必m^人手臂的機(jī)構(gòu)設(shè) 計(jì)帶來巨大的困難，其尺寸大于人手、握持力小、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等。以生物肌肉運(yùn)動(dòng) 原理為藍(lán)圖而設(shè)計(jì)開發(fā)出來的驅(qū)動(dòng)器一一氣動(dòng)人工肌肉，以其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、低廉
的成本、獨(dú)特的仿生性、很高的輸出力/重量比和良好的柔順性等特點(diǎn)近年;^機(jī)
器人領(lǐng)域得到了越來越廣泛的重視。氣動(dòng)人工肌肉是迄今為止人類發(fā)明的一種最 接近于生物肌肉特性、性能價(jià)格比最高的驅(qū)動(dòng)器之一?；跉鈩?dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)的 仿人手臂結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力/重量比高、適合于柔順控制作業(yè)等。
世界各國(guó)研究工作者對(duì)仿人手臂的開發(fā)#^入了極大的熱情。
20世紀(jì)末，美國(guó)國(guó)家航空和宇航局利用國(guó)家基金研制用于國(guó)際空間站#^卜作 業(yè)的機(jī)器人宇航員，用于修理出故障的衛(wèi)星和空間站。太空機(jī)器人體態(tài)小巧，身 手敏捷，完全勝任在宇宙飛船上^f亍任務(wù)。機(jī)器人宇航員體形和真A^目仿，有著 結(jié)實(shí)的軀干和靈巧的NASA靈巧手和手臂。該手完4H^^A手的結(jié)構(gòu)與動(dòng)作，由l 個(gè)前臂、1個(gè)手腕和5個(gè)手指組成，共14個(gè)自由度(手腕2個(gè)自由度，拇指、食 指和中指各3個(gè)，無名指、小指和手掌各1個(gè)自由JO 。目前該手可以拿起一些常 用工具進(jìn)行^作。兩架彩色立體成像照相機(jī)充作雙眼。為了防備空間射線和溫差 變化造成的傷害，它也穿上了宇柳l。在某些方面，機(jī)器人宇航員比AJ^靈巧， 它手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度比我們大，擺*電動(dòng)工具和繩索來得心應(yīng)手。
麻省理工學(xué)院所研究的"科戈"(C0G)人形機(jī)器人，被作為人和人工智能等 領(lǐng)域的一個(gè)平臺(tái)。"科戈"由頭、軀干、胳膊^^雙手組成，它的臂必須^A類那樣 具有柔順性。"科戈"的第一條手臂以全新的方式工作，每個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)彈簧， 從而使"科戈"獲得了柔順性。
美國(guó)華盛頓大學(xué)還研制出一個(gè)具有智能的氣動(dòng)軟臂機(jī)器人，具有6個(gè)自由度， 不僅可以作為月良務(wù)機(jī)器人^JD ，而且可以作為進(jìn)一步開發(fā)智能機(jī)器人的平臺(tái)。
中國(guó)人口結(jié)構(gòu)日趨老齡化，老齡人口正以每年3.2。/。的il^增長(zhǎng)，到下世紀(jì)中葉，我國(guó)老齡人口將可能占到總?cè)丝诘乃姆种灰陨希@對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)騰飛和 社^^急定將帶來不可估量的影響，全社會(huì)要未雨綢繆，早做準(zhǔn)備。護(hù)理機(jī)器人能 在一定程度內(nèi)代替人，為高齡老人喝水、送藥、進(jìn)食等作一些護(hù)理工作，被科學(xué)
家公認(rèn)為一種解決人口老齡^4i會(huì)問題的有效措施。從護(hù)理機(jī)器人的工作性質(zhì)來 看，護(hù)理機(jī)器人必須要具有服務(wù)化、人性化和親和力，這除了要求護(hù)理才成手臂 具有人手臂4大小外，還需要它具有充分的自由度和柔順性。因此，研制開發(fā) 仿人護(hù)理柔性才咸手臂狄決未來老齡^^土?xí)栴}的有效措施，具有廣闊的應(yīng)用 前景。
根據(jù)上述可知作為機(jī)器人意向的執(zhí)行部件一機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)組成的重要性， 它執(zhí)行的準(zhǔn)確與否，有力與否除了驅(qū)動(dòng)源的#^與控制非常關(guān)鍵"卜，枳械手臂 的結(jié)構(gòu)組成也是非常關(guān)鍵的部件，為此設(shè)計(jì)出iiJiJ仿人手要求的仿A^a手臂的 結(jié)構(gòu)乃當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的目的在于提供一種用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人 手臂，利用其獨(dú)特的柔順操控技術(shù)使機(jī)器人的手臂具有人臂一樣的功能，使其具 有"一樣的肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)其肩關(guān)節(jié)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，肘關(guān) 節(jié)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，腕關(guān)節(jié)的兩個(gè)i走轉(zhuǎn)自由度；結(jié)構(gòu)的M形式A^用氣動(dòng)人 工肌肉為驅(qū)動(dòng)器通過鋼絲(或繩索)操控滑輪組或采用套管鋼絲的柔性操控實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度仿人手臂，主要由肩關(guān)節(jié)(1 )，肘關(guān)節(jié)(2), 腕關(guān)節(jié)U)，手臂支撐架(4),上臂(5),前臂(6)和柔索(7)組成，其中 由立板(40)、頂板(47)和底板(48)構(gòu)成手臂支撐架(4),并與基座(49)固 定，在立板(40)的頂部固定有滑輪組支架(46 ),由頂軸(15 )，前支撐塊(11 )， 后支撐塊(12 ),頂盤(45 ),支柱(43 )，底盤(42 )和底盤轉(zhuǎn)軸(41)連接成為 一整體結(jié)構(gòu)，并通過^4由#推力球軸承與頂板(47)和底板(48)相連接，繞 Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)(1)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)人工肌肉(44)直接固定在手 臂支撐架(4 )的底板(48 )上，與人工肌肉(44 )連接的鋼絲(Al)通過滑輪組 支架(46 )上的滑輪組(B4 )拖動(dòng)頂軸(15 )和M轉(zhuǎn)軸(41)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Z 軸方向的S走轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn)可ii-90。到90° ， 4支氣動(dòng)人工肌肉(44)固定在 底盤(42 )上，與氣動(dòng)人工肌肉(44 )連接的鋼絲(Al)帶動(dòng)固定在前支撐塊(11) 和后支撐塊(12)上的兩組滑輪組(BO)拖動(dòng)中軸(13)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)(1) 繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-60。到120° ,與氣動(dòng)人工肌肉(44)連接的鋼絲(All) 繞過(B1)， (B2)， (B3)滑IMa通過中軸(13)與小定向輪(B5)拖動(dòng)前軸(14)
繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y軸運(yùn)動(dòng)范圍是O。到180° ;肩連接塊(18)，上臂上盤(51)， 上臂下盤(54 ),上臂桿(53)和肘連接塊(23)連接成一M結(jié)構(gòu)，并通it^連 接塊(18 )與肩關(guān)節(jié)(1)的肩連接塊(17)相連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2 )和腕關(guān)節(jié) (3)動(dòng)作的4^P氣動(dòng)人工肌肉(52 )都設(shè)置于上臂下盤(M )和上臂上盤(51) 之間，并與上臂上盤(51)連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2 ) X軸的兩支氣動(dòng)人工肌肉(52 ) 連接的繩索(A2)穿過上臂下盤(54)直接帶動(dòng)肘軸(21)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)X向的運(yùn) 動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2) Y向的動(dòng)作采用繩索(A2)直接穿過管套(A3)組成的M 鋼絲(A2)， (A3)與腕關(guān)節(jié)(3)連接，再通itJ^部(32)的掌關(guān)節(jié)(33)與手掌 (34 )連接，驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)(3 )的4根柔索(7 )穿過管套(A3 )組成的套管鋼絲 (A2), (A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上，實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)(3)繞前臂(6 ) 的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-45°到45°和繞前臂(6 )末端的側(cè)向運(yùn)動(dòng)可達(dá)-45°到45° 。 由于采用了上述技術(shù)方案，4^發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果
1、 本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)七個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度， 可以實(shí)現(xiàn)上臂的旋轉(zhuǎn)、抬起和前伸的運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)有兩個(gè)^t轉(zhuǎn)自由度，可以實(shí)現(xiàn) 前臂的屈伸和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，腕關(guān)節(jié)亦有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可以實(shí)現(xiàn)手掌兩個(gè)軸向的 轉(zhuǎn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)空間大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以減少手臂的質(zhì)量使其減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量， 4吏用維護(hù)修理簡(jiǎn)易。
2、 本發(fā)明與氣動(dòng)人工肌肉配^f吏用，輸出力大，且具有很強(qiáng)的柔順性。
3、 本發(fā)明在肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)上采用滑輪組，肘關(guān)節(jié)采用套管鋼絲操控的方法 使得肌肉放置更加合理，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得非常緊湊。


圖1為本發(fā)明氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度仿^v手臂總體結(jié)構(gòu)立體示意圖
圖2A為本發(fā)明肩部及其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)立體示意圖
圖2B為本發(fā)明肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)放大的立體示意圖
圖2C為本發(fā)明圖2B的A-A剖視示意圖
圖3為本發(fā)明上臂及肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)放大的立體示意圖
圖4為本發(fā)明前臂;5J晚關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)i文大的立體示意圖
具體實(shí)施例方式
由圖1、圖2A、圖2B、圖2C、圖3和圖4示出， 一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七 自由度仿人手臂，主要由肩關(guān)節(jié)l,肘關(guān)節(jié)2，腕關(guān)節(jié)3，手臂支撐架4，上臂5, 前臂6和柔索7組成，其中由立板40、頂板47和底板48構(gòu)成手臂支撐架4， 并與基座49固定，在立板40的頂部固定有滑輪組支架46，由頂軸15，前支撐塊 11,后支撐塊12，頂盤45，支柱43, M 42和底盤轉(zhuǎn)軸41連接成為一M結(jié) 構(gòu)，并通i^緣^推力球軸承與頂板47和底板48相連接，繞Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)1繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)人工肌肉44直接固定在手臂支撐架4的底板48
和"轉(zhuǎn)軸41實(shí)ij^關(guān)節(jié)繞Z軸方向的旋"，^Z軸旋轉(zhuǎn)可:-90。到90。 ， 4 支氣動(dòng)人工肌肉44固定在底盤42上，與氣動(dòng)人工肌肉44連接的鋼絲Al帶動(dòng)固 定在前支撐塊11和后支撐塊12上的兩組滑^^且BO拖動(dòng)中軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān) 節(jié)1繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-60。到120。，與氣動(dòng)人工肌肉44連接的鋼絲All繞 過B1， B2， B3滑輪組通過中軸13與小定向輪B5拖動(dòng)前軸14繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y 軸運(yùn)動(dòng)范圍是0°到180° ;肩連接塊18，上臂上盤51，上臂下盤54，上臂桿 53和肘連接塊23連接成一螯沐結(jié)構(gòu)，并通過肩連接塊18與肩關(guān)節(jié)1的肩連接塊 17相連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)2和腕關(guān)節(jié)3動(dòng)作的^氣動(dòng)人工肌肉52都設(shè)置于上臂 下盤54和上臂上盤51之間，并與上臂上盤51連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)2X軸的兩支氣 動(dòng)人工肌肉52連接的繩索A2穿過上臂下盤54直接帶動(dòng)肘軸21旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)X向 的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)2Y向的動(dòng)作采用繩索A2直接穿過管套A3組成的套管鋼絲 A2， A3與腕關(guān)節(jié)3連接，再通過腕部32的掌關(guān)節(jié)33與手掌34連接，驅(qū)動(dòng)腕關(guān) 節(jié)3的4根柔索7穿過管套A3組成的套管鋼絲A2， A3分別附在腕部32和手掌 34上，實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)3繞前臂6的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-45°到45°和繞前臂6末端的側(cè)向 運(yùn)動(dòng)可達(dá)-45。到45° 。
另知，從圖示的結(jié)構(gòu)可以看出，本發(fā)明將肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)部分;^jM區(qū)干中，這 樣可以減少手臂的質(zhì)量以減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量。肩關(guān)節(jié)的這種設(shè)計(jì)使得我們可以將 肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手部關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)放在手臂上。這才ff吏得慣性越小，運(yùn)動(dòng)的狄 就可以趟一決，控制運(yùn)動(dòng)的力就可以越小。
采用套管鋼絲的操控技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用滑輪組能隨意改變方向， 這一技術(shù)來源于自行車的剎車系統(tǒng)。
從采用驅(qū)動(dòng)源，傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)自由度和形態(tài)功能方面的分析和分解 自由度的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方法是可行的，且易于結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和操控，最終可以獲得 一輸出力大，操控柔順，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于使用維護(hù)和修理的結(jié)構(gòu)總體。
權(quán)利要求
1. 一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度仿人手臂，主要由肩關(guān)節(jié)(1)，肘關(guān)節(jié)(2)，腕關(guān)節(jié)(3)，手臂支撐架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)組成，其特征在于由立板(40)、頂板(47)和底板(48)構(gòu)成手臂支撐架(4)，并與基座(49)固定，在立板(40)的頂部固定有滑輪組支架(46)，由頂軸(15)，前支撐塊(11)，后支撐塊(12)，頂盤(45)，支柱(43)，底盤(42)和底盤轉(zhuǎn)軸(41)連接成為一整體結(jié)構(gòu)，并通過球軸承和推力球軸承與頂板(47)和底板(48)相連接，繞Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)(1)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)人工肌肉(44)直接固定在手臂支撐架(4)的底板(48)上，與人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)通過滑輪組支架(46)上的滑輪組(B4)拖動(dòng)頂軸(15)和底盤轉(zhuǎn)軸(41)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn)可達(dá)-90°到90°，4支氣動(dòng)人工肌肉(44)固定在底盤(42)上，與氣動(dòng)人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)帶動(dòng)固定在前支撐塊(11)和后支撐塊(12)上的兩組滑輪組(B0)拖動(dòng)中軸(13)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)(1)繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-60°到120°，與氣動(dòng)人工肌肉(44)連接的鋼絲(A11)繞過(B1)，(B2)，(B3)滑輪組通過中軸(13)與小定向輪(B5)拖動(dòng)前軸(14)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞Y軸運(yùn)動(dòng)范圍是0°到180°；肩連接塊(18)，上臂上盤(51)，上臂下盤(54)，上臂桿(53)和肘連接塊(23)連接成一整體結(jié)構(gòu)，并通過肩連接塊(18)與肩關(guān)節(jié)(1)的肩連接塊(17)相連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2)和腕關(guān)節(jié)(3)動(dòng)作的全部氣動(dòng)人工肌肉(52)都設(shè)置于上臂下盤(54)和上臂上盤(51)之間，并與上臂上盤(51)連接，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2)X軸的兩支氣動(dòng)人工肌肉(52)連接的繩索(A2)穿過上臂下盤(54)直接帶動(dòng)肘軸(21)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)X向的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2)Y向的動(dòng)作采用繩索(A2)直接穿過管套(A3)組成的套管鋼絲(A2)，(A3)與腕關(guān)節(jié)(3)連接，再通過腕部(32)的掌關(guān)節(jié)(33)與手掌(34)連接，驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)(3)的4根柔索(7)穿過管套(A3)組成的套管鋼絲(A2)，(A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上，實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)(3)繞前臂(6)的旋轉(zhuǎn)，可達(dá)-45°到45°和繞前臂(6)末端的側(cè)向運(yùn)動(dòng)可達(dá)-45°到45°。
全文摘要
一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的七自由度仿人手臂，主要由肩關(guān)節(jié)(1)，肘關(guān)節(jié)(2)，腕關(guān)節(jié)(3)，手臂支撐架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)組成，其中手臂支撐架(4)與基座(49)固定，并在其中裝置氣動(dòng)人工肌肉(44)，通過與氣動(dòng)人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)通過滑輪組(B0)，(B1)，(B2)，(B3)，(B4)和(B5)實(shí)現(xiàn)X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)(2)和腕關(guān)節(jié)(3)動(dòng)作的氣動(dòng)人工肌肉(52)設(shè)置在上臂(5)中，通過與其連接的繩索(A2)直接操控肘軸(21)或通過套管鋼絲(A2，A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上實(shí)現(xiàn)了繞前臂(6)的旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明輸出力大，操控柔順，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，使用維護(hù)修理簡(jiǎn)易。
文檔編號(hào)B25J18/00GK101204815SQ20071009805
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者彭光正, 王毅楓 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)