一種基于萬向聯(lián)軸節(jié)式并聯(lián)機構(gòu)的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于萬向聯(lián)軸節(jié)式并聯(lián)機構(gòu)的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)，主要結(jié)構(gòu)包括：支撐桿，固定端平臺，連接軸，深溝球軸承，氣動肌肉，萬向聯(lián)軸節(jié)，前臂平臺，孔用彈性擋圈，圓螺母。仿生關(guān)節(jié)工作時，通過對氣動肌肉充氣，則橡膠管在充氣后膨脹，并作用于編織網(wǎng)。編織網(wǎng)的網(wǎng)線編織角增加，引起氣動肌肉軸向收縮。通過對單根、兩根或三根氣動肌肉的分別充氣可使得前臂平臺完成三個轉(zhuǎn)動自由度運動。本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相對簡單，輕便，具有較好的靈活性，成本低廉。運動時姿態(tài)空間較大，更接近人類手臂的運動范圍，從而增強了機構(gòu)的順應(yīng)性，增大了位姿調(diào)整范圍。將本發(fā)明應(yīng)用到醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中，可以增強老年人或上肢殘障人士功能恢復(fù)的效果。
【專利說明】一種基于萬向聯(lián)軸節(jié)式并聯(lián)機構(gòu)的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人和人體仿生學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]當今社會，隨著經(jīng)濟高速增長和快速發(fā)展的同時，生產(chǎn)和交通災(zāi)害所造成的殘疾人數(shù)正逐年增加，多種疾病也致使許多人的上肢失去功能。另外一個方面，全球人口的老齡化帶來大量的問題，例如老齡人需要專業(yè)的及時看護完成日常生活、醫(yī)療問題。這些問題的解決將帶來大量的財政負擔。人體上肢仿生機構(gòu)可以用于這些患者的肢體功能恢復(fù)，并且可用于為老年人提供助力裝置以便完成日常生活運動，這將緩解當前專業(yè)技師人數(shù)不足的局面，并使之能夠降低他們的財政負擔，具有重大的社會意義。目前，雖然國內(nèi)外學(xué)者對氣動肌肉上肢康復(fù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)展開了很多年，對仿生肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也多種多樣，包括3-SPS/S等并聯(lián)機構(gòu)，但這些機構(gòu)的運動空間普遍較小，遠小于人類手臂的運動范圍，且多為電機驅(qū)動，使得其質(zhì)量大，安全性能差，這讓仿生手臂的舒適度、活動范圍以及患者的康復(fù)效果與實際需求相差甚遠。新型仿生驅(qū)動裝置一氣動(人工)肌肉(PneumaticArtificial Muscle，簡稱PAM)，主要優(yōu)點在于工作方式、響應(yīng)時間、伸縮范圍與生物肌肉較為相似，其非線性特性與人體骨骼肌相近，并且具備電機等驅(qū)動器不具備的柔順性。氣動(人工)肌肉驅(qū)動裝置可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，可替代現(xiàn)在機器人上廣泛使用的電機驅(qū)動裝置，使得機器人具有更好的靈活性，如可以用于人體假肢、肢體康復(fù)設(shè)備和仿生機器人以及娛樂行業(yè)等等。
[0003]中國專利CN 1961848 B提出了一種單自由度氣動肌肉的柔性外骨骼肘關(guān)節(jié)，該肘關(guān)節(jié)機構(gòu)由兩條氣動肌肉及一個單自由度旋轉(zhuǎn)運動副構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)單自由度運動。
[0004]中國專利CN 101181175A提出了一種單自由度肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，該機構(gòu)采用兩根氣動肌肉雙端對拉的方式驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)單自由度運動。
[0005]中國專利CN 102126210 A，提出了一種七自由度氣動肌肉柔性機械手臂，該機構(gòu)的每自由度運動是通過兩根氣動肌肉的雙端對拉原理驅(qū)動，帶來的結(jié)果是體積龐大，成本高昂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輕便，具有良好靈活性及柔順性并可實現(xiàn)大范圍位姿調(diào)整的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)。
[0007]本發(fā)明的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)具有三維旋轉(zhuǎn)自由度，其特殊之處是，氣動肌肉與前臂平臺及固定端平臺的連接部分采用萬向聯(lián)軸節(jié)、連接軸、深溝球軸承和彈性擋圈連接。通過驅(qū)動氣動肌肉，進而驅(qū)動前臂平臺三維旋轉(zhuǎn)運動。
[0008]從圖1所示，所述仿生關(guān)節(jié)的性能包括:以地面為固定坐標系，前臂平臺的支撐桿平行于Z軸，且垂直向上。前臂平臺繞I軸，7軸，運動范圍可達(-50°，50° )繞Z軸旋轉(zhuǎn)運動范圍可達(-25°，25° )，仿生關(guān)節(jié)輸出力可達300N。
[0009]同之前的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)，運動時姿態(tài)空間較大，更接近人類手臂的運動范圍，從而增強了機構(gòu)的順應(yīng)性，增大了位姿調(diào)整范圍；
2、通過將氣動肌肉作為驅(qū)動器，使該仿生關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相對簡單、輕便，具有較好的靈活
性；
3、將本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)應(yīng)用到醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中，可以增強老年人或殘障人士上肢功能恢復(fù)的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2固定端平臺結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3前臂平臺結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)系統(tǒng)圖。
[0011]圖中:I支撐桿，2固定端平臺，3連接軸，4深溝球軸承，5氣動肌肉，6萬向聯(lián)軸節(jié)，7前臂平臺，8孔用彈性擋圈，9圓螺母，10空氣壓縮機，11氣動三聯(lián)件，12氣管，13氣動肌肉控制單元(SP⑶控制器)。
【具體實施方式】
[0012]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0013]從圖1，2，3所示，該仿生關(guān)節(jié)主要由四部分組成:固定端平臺2，前臂平臺7，氣動肌肉5與支撐桿I。
[0014]從圖1，2，3所示，六個萬向聯(lián)軸節(jié)6，其中三個通過連接軸3的銷孔端與固定端平臺2相連，其余三個通過連接軸3的銷孔端與前臂平臺7相連。連接軸3安裝方式為:分別在兩個平臺加工三個120°均布的階梯孔，深溝球軸承4安裝于階梯孔中，并用孔用彈性擋圈8固定深溝球軸承4的外圈；連接軸3插入兩個平臺的階梯孔中與深溝球軸承4配合安裝，使其軸肩與深溝球軸承4的內(nèi)圈接觸；圓螺母9安裝在連接軸3的細牙螺紋端，并與深溝球軸承4的內(nèi)圈接觸。
[0015]從圖2和圖3所示，支撐桿I的一端與固定端平臺2的中心通過螺紋固連，另一端通過萬向聯(lián)軸節(jié)6和連接軸3與前臂平臺相連接。從圖3所示，連接軸3安裝方式為:在前臂平臺中心加工一階梯孔，深溝球軸承4安裝于階梯孔中，并用孔用彈性擋圈8固定深溝球軸承4的外圈；連接軸3插入兩個平臺的階梯孔中與深溝球軸承4配合安裝,使其軸肩與深溝球軸承4的內(nèi)圈接觸；圓螺母9安裝在連接軸3的細牙螺紋端，并與深溝球軸承4的內(nèi)圈接觸。
[0016]從圖4所示，氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)系統(tǒng)主要包括:氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)、空氣壓縮機10、氣動三聯(lián)件11、氣管12、氣動肌肉控制單元SP⑶控制器13。
[0017]氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)工作原理為:將空氣壓縮機10啟動，則空氣壓縮機10中的氣源通過氣動三聯(lián)件11將空氣穩(wěn)壓和過濾，輸送到氣動肌肉控制單元SP⑶13內(nèi)，PC發(fā)出指令，通過脈沖信號或者輸入程序?qū)崿F(xiàn)控制氣閥啟閉，進而控制氣動肌肉5內(nèi)空氣的流動，調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓；橡膠管在充氣后膨脹，并作用于編織網(wǎng)，使其編織角增加，帶動氣動肌肉收縮。通過不同方式驅(qū)動氣動肌肉，可實現(xiàn)前臂平臺三軸旋轉(zhuǎn)運動。
【權(quán)利要求】
1.一種基于萬向聯(lián)軸節(jié)式并聯(lián)機構(gòu)的氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)，主要部件包括:支撐桿，固定端平臺，連接軸，深溝球軸承，氣動肌肉，萬向聯(lián)軸節(jié)，前臂平臺，孔用彈性擋圈，圓螺母；六個萬向聯(lián)軸節(jié)，其中三個通過連接軸的銷孔端與固定端平臺相連，其余三個通過連接軸的銷孔端與前臂平臺相連。
2.如權(quán)利要求書I所述的固定端平臺和前臂平臺，其特征在于兩個平臺上分別加工出三個120°均布的階梯孔。
3.如權(quán)利要求書2所述的固定端平臺和前臂平臺上的階梯孔，其特征在于階梯孔中安裝深溝球軸承，并通過連接軸、圓螺母和孔用彈性擋圈固定。
4.如權(quán)利要求書I所述支撐桿，其特征在于支撐桿的一端與固定端平臺的中心通過螺紋固連，另一端通過萬向聯(lián)軸節(jié)和連接軸與前臂平臺相連接。
5.如權(quán)利要求書I至4所述連接軸，其特征在于其為一階梯軸，其一端加工螺紋，另一端加工有銷釘孔。
【文檔編號】B25J17/02GK104029217SQ201410267007
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】郝麗娜, 項超群, 楊輝 申請人:東北大學(xué)