本發(fā)明涉及仿生機器人關(guān)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿人肘關(guān)節(jié)結(jié)。

背景技術(shù)：

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，如康復(fù)機器人、穿戴式機器人、智能假肢、行走機器人等以人為中心的機器人越來越多，物理性人機交互也隨著增加，人機交互安全性和環(huán)境適應(yīng)性也受到更廣泛關(guān)注。為了滿足機器人對控制精度高、響應(yīng)快、控制簡易性的要求，通過電機驅(qū)動方式保證機器人末端的執(zhí)行精度，已被越來越多的機器人應(yīng)用，但是，其還具有高剛度的特點，而高剛度特性并不利于人機交互安全性的要求。

從運動生物力學(xué)角度看，肌肉是人體運動系統(tǒng)的動力來源，并通過肌肉收縮的力量維持或完成動作的執(zhí)行。肌肉具有非線性變剛度特性，能夠緩沖一定的碰撞，還能吸收和存儲能量，因此，如果能夠借鑒人體骨骼肌肉系統(tǒng)，設(shè)計具有仿生肌肉特性的關(guān)節(jié)，便可以改善傳統(tǒng)機器人的高剛度特性，以提高人機交互的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

目前，現(xiàn)已有許多模仿骨骼肌的實現(xiàn)方式，如電致聚合物類人工肌肉、形狀記憶合金、氣動人工肌肉、具有彈性元件的變剛度驅(qū)動器等，但是上述模仿骨骼肌的實現(xiàn)方式仍無法完全模擬出人類關(guān)節(jié)的特性，不僅存在著輸出力較小、重量大、運動范圍小、剛度較小等不足之處，還存在有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，組裝繁瑣等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明提供一種仿人肘關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、組裝方便、靈活，能夠模擬具有非線性變剛度肌肉特性的關(guān)節(jié)，有效提高人機交互的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

一種仿人肘關(guān)節(jié)，其包括小臂(1)、大臂(11)和肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動組件，所述小臂(1)與大臂(11)的一端通過中心軸(9)套接在一起，所述肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動組件包括滑桿(2)、彈簧片(6)、滑槽架(7)、連桿(15)、第一絲杠(17)、第一驅(qū)動電機(18)；所述滑桿(2)的兩端卡在所述小臂(1)前端兩側(cè)開設(shè)的讓位滑槽(5)內(nèi)，中間固定連接所述彈簧片(6)的一端，所述彈簧片(6)的另一端固定連接在靠近所述滑槽架(7)前端的表面上，所述滑槽架(7)設(shè)于所述小臂(1)與所述大臂(11)連接處的空腔內(nèi)，所述滑槽架(7)的中間通過軸承套在所述中心軸(9)上，所述滑槽架(7)末端連接所述連桿(15)的一端，所述連桿(15)的另一端連接有滑塊(16)，所述滑塊(16)固定連接于第一絲杠(17)的末端，所述第一絲杠(17)固定連接所述第一驅(qū)動電機(18)，所述第一驅(qū)動電機(18)固定在所述大臂(11)的另一端內(nèi)側(cè)。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，還包括剛度變化執(zhí)行組件，所述剛度變化執(zhí)行組件包括移動滑座(3)、第二絲杠(20)和第二驅(qū)動電機(10)，所述移動滑座(3)的中間設(shè)有至少一對限位桿(4)，所述彈簧片(6)穿過所述一對限位桿(4)之間的縫隙，所述移動滑座(3)的兩側(cè)面均設(shè)有凸起(12)，該凸起(12)卡合固定于所述滑槽架(7)前端兩側(cè)邊開設(shè)的滑道內(nèi)；所述第二驅(qū)動電機固定設(shè)于所述滑槽架(7)末端，并靠近所述中心軸(9)位置設(shè)置，所述第二驅(qū)動電機通過所述第二絲杠(20)連接移動滑座(3)。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述彈簧片(6)設(shè)為兩個，分別在所述滑槽架(7)的上、下兩側(cè)對稱設(shè)置，對應(yīng)地，所述移動滑座(3)的上、下端各設(shè)有兩個限位桿(4)，所述滑桿(2)設(shè)為兩個，所述讓位滑槽(5)在同一側(cè)面上下開設(shè)有兩個。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述凸起(12)在一側(cè)面均設(shè)有兩個。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述凸起(12)設(shè)為方形或圓柱形。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，在所述大臂(11)的連接兩平行臂的內(nèi)壁上平行設(shè)有直線導(dǎo)軌(14)，所述滑塊(16)滑動地固定于所述直線導(dǎo)軌(14)上。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述連桿(15)與所述滑槽架(7)的回轉(zhuǎn)中心相對于所述滑槽架(7)的中心線偏置。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述滑塊(16)與所述連桿(15)鉸鏈連接，所述連桿(15)與所述滑槽架(7)鉸鏈連接。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述連桿(15)包括一體合成的u型連接件與連接桿，所述u型連接件的開口端可上下轉(zhuǎn)動地連接于所述滑槽架(7)末端，所述u型連接件開口端的兩支臂彎曲設(shè)置，所述連接桿鉸鏈連接所述滑塊(16)。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述u型連接件的開口端在兩內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有卡接柱，在所述滑槽架(7)末端兩側(cè)上設(shè)有與所述卡接柱相互適配的通孔，所述卡接柱穿過通孔，在所述卡接柱的末端設(shè)有卡銷。

作為如上所述仿人肘關(guān)節(jié)的一種優(yōu)選方案，所述大臂(11)、小臂(1)與人體的肘關(guān)節(jié)尺寸基本一致。

(三)有益效果

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的仿人肘關(guān)節(jié)不但在功能上能夠模擬具有非線性變剛度肌肉特性的關(guān)節(jié)，而且在尺寸上與人體的肘關(guān)節(jié)一致，最大地實現(xiàn)了仿人結(jié)構(gòu)；本發(fā)明采用彈簧片作為剛度調(diào)節(jié)部件，且彈簧片作為力傳遞部件，其剛度會根據(jù)作用長度變化而改變，為滿足彈簧片作用長度的調(diào)節(jié)，本發(fā)明通過電機與絲杠配合使用，并通過移動滑座的滑移便可輕松調(diào)整彈簧片的作用長度。

本發(fā)明可實現(xiàn)在剛度不變的情況下，僅令關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動，即滿足恒剛度條件下關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的位置調(diào)整；本發(fā)明還可實現(xiàn)在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況下，僅改變關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度，從而滿足設(shè)定剛度條件下的關(guān)節(jié)工作要求。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、靈活，體積小，重量輕，生產(chǎn)成本大大降低，使用方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選仿人肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為去掉彈簧片的滑槽架處的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的一優(yōu)選仿人肘關(guān)節(jié)立體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為移動滑座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一優(yōu)選仿人肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時的示意圖。

【附圖標(biāo)記說明】

1：小臂；

2：滑桿；

3：移動滑座；

4：限位桿；

5：讓位滑槽；

6：彈簧片；

7：滑槽架；

8：第二電機支座；

9：中心軸；

10：第二驅(qū)動電機；

11：大臂；

12：凸起；

13：軸承；

14：直線導(dǎo)軌；

15：連桿；

16：滑塊；

17：第一絲杠；

18：第一驅(qū)動電機；

19：滑道；

20：第二絲桿；

21：縫隙。

具體實施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實施方式，對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實施例1

如圖1所示，一種仿人肘關(guān)節(jié)，其包括小臂1、大臂11、肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動組件，小臂1可設(shè)為u形支架，大臂11可為中間由上表面部分連接的兩平行支臂，大臂11的開口端與小臂1的開口端通過軸承套接在中心軸9上，通大臂11與中心軸9相垂直；小臂1與中心軸9相垂直，小臂1的開口端套在大臂11的平行支臂之間；肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動組件包括滑桿2、彈簧片6、滑槽架7、連桿15、第一絲杠17、第一驅(qū)動電機18；小臂1的前端兩側(cè)面上開設(shè)的讓位滑槽5，滑桿2的兩端卡在讓位滑槽內(nèi)，滑桿2可在讓位滑槽內(nèi)滑動，滑桿2中間固定連接彈簧片6的一端，彈簧片6的另一端固定連接在靠近滑槽架7前端的表面上；滑槽架7設(shè)于小臂1與大臂11之間的空腔內(nèi)，滑槽架7的中間在兩側(cè)邊上開設(shè)有槽，槽內(nèi)嵌套有軸承13，該軸承13套在中心軸9上，將滑槽架7固定在中心軸9上，滑槽架7可繞中心軸9轉(zhuǎn)動；滑槽架7末端固定連接連桿15的一端，連桿15的另一端與滑塊16連接，滑塊16固定于第一絲杠17的末端，第一驅(qū)動電機18固定連接第一絲杠17，第一驅(qū)動電機18固定安裝在大臂11的末端內(nèi)側(cè)。

仿人肘關(guān)節(jié)還設(shè)有剛度變化執(zhí)行組件，其設(shè)于滑槽架內(nèi)，所述剛度變化執(zhí)行組件用于改變所述彈簧片的彈力，進而改變整個肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛性。如圖2所示，剛度變化執(zhí)行組件包括移動滑座3、第二絲杠20和第二驅(qū)動電機10，移動滑座3設(shè)于滑槽架7的前端，并可在滑槽架7的前端來回滑動，第二驅(qū)動電機10固定設(shè)于滑槽架7的末端，移動滑座3和第二驅(qū)動電機10之間通過第二絲杠20連接。具體地，移動滑座3的兩平行板之間設(shè)有兩個限位桿4，彈簧片6穿過兩限位桿4之間的縫隙，移動滑座3兩側(cè)的平行板上設(shè)有凸起，該凸起卡合固定于滑槽架7前端兩側(cè)邊上開設(shè)的滑道19內(nèi)，凸起可設(shè)為方形或圓柱形；在移動滑座3的末端靠近中心軸9的位置設(shè)有第二電機座8，將第二驅(qū)動電機10固定設(shè)于第二電機座8內(nèi)，第二驅(qū)動電機為絲杠電機，固定連接第二絲杠，第二絲杠20固定連接移動滑座3。第二驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)帶動第二絲杠20伸縮，連帶移動滑座3在滑道19內(nèi)向前、向后滑動，這樣彈簧片6位于限位桿4與滑桿2之間的長度會隨之發(fā)生變化。

在第一絲桿17與連桿15的連接處設(shè)有一滑塊16，在大臂11上的用于連接兩平行支臂上表面的內(nèi)側(cè)固定有直線導(dǎo)軌14，直線導(dǎo)軌14于大臂11中居中平行設(shè)置，將滑塊16固定在直線導(dǎo)軌14上，滑塊16可在直線導(dǎo)軌上沿直線導(dǎo)軌滑動。第一絲桿17與滑塊16固定連接，滑塊16通過鉸鏈與連桿15連接?；瑝K起導(dǎo)向作用，使絲桿傳動精度高。

使肘關(guān)節(jié)向一個方向旋轉(zhuǎn)，連桿15另一端通過鉸鏈與滑槽架7連接，連桿15與滑槽架7的回轉(zhuǎn)中心相對于滑槽架7的中心線偏置，也就是說，連桿15與滑槽架7的回轉(zhuǎn)中心與滑槽架7的中心線不在一直線上設(shè)置，連桿15與滑塊16的回轉(zhuǎn)中心在滑槽架7的中心線上設(shè)置。

本發(fā)明的使用過程如下：

a.在剛度不變的情況下，僅令本發(fā)明的仿人肘關(guān)節(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)動：

啟動第一驅(qū)動電機18，通過第一驅(qū)動電機18帶動第一電機絲杠17轉(zhuǎn)動，進而帶動滑塊16移動，通過滑塊16的移動帶動連桿15轉(zhuǎn)動，進而帶動滑槽架7轉(zhuǎn)動，此時第二驅(qū)動電機10隨滑槽架7一起轉(zhuǎn)動，通過滑槽架7轉(zhuǎn)動帶動彈簧片6發(fā)生形變，此時限位桿4位置不變，即移動滑座3沒有位移，通過彈簧片6形變帶動滑桿2轉(zhuǎn)動，進而帶動小臂1轉(zhuǎn)動。

b.在本發(fā)明的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況下，改變關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度：

啟動第二驅(qū)動電機10，通過第二驅(qū)動電機10帶動第二絲杠20轉(zhuǎn)動，進而帶動移動滑座3移動，通過移動滑座3的移動改變彈簧片6位于限位桿4與滑桿2之間的長度，由于位于限位桿4與滑桿2之間的彈簧片6是用于傳遞作用力的，而彈簧片6在力傳遞過程中，其剛度完全由其長度決定，當(dāng)移動滑座3向中心軸9方向移動時，位于限位桿4與滑桿2之間的彈簧片6長度變長，其剛度變小，反之，當(dāng)移動滑座3遠(yuǎn)離中心軸9方向移動時，位于限位桿4與滑桿2之間的彈簧片6長度變短，其剛度變大。

通過上述方式調(diào)整好位于限位桿4與滑桿2之間的彈簧片6相應(yīng)長度后，當(dāng)小臂1受到外力使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)被迫轉(zhuǎn)動時，彈簧片6會發(fā)生彎曲，此時滑桿2會在讓位滑槽內(nèi)滑動實現(xiàn)隨動，直到彈簧片6的彎曲程度穩(wěn)定，此時，本發(fā)明的仿人軸關(guān)節(jié)完全滿足了設(shè)定剛度條件下的關(guān)節(jié)工作要求。

實施例2

為了使仿人肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，整個剛度更加容易控制，在實施例1的基礎(chǔ)上，將彈簧片的設(shè)為兩片，如圖3所示，兩彈簧片6在滑槽架7的上、下兩側(cè)對稱設(shè)置，相應(yīng)的，滑桿2對應(yīng)設(shè)為兩個，在小臂前端開設(shè)有兩個讓位滑槽5，同時，將移動滑座3的上、下端各設(shè)有兩個限位桿4，具體如圖4所示，相鄰的兩個限位桿4之間間隔有縫隙21，彈簧片6穿過該縫隙，彈簧片6的一端固定相對應(yīng)位置的滑桿2中間，另一端固定在靠近滑槽架7前端的表面上；移動滑座的兩側(cè)邊上均設(shè)有兩個凸起12，凸起12可嵌合在滑動架兩側(cè)邊設(shè)置的滑道19內(nèi)滑動，設(shè)置為兩個凸起，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

連桿和滑塊鉸鏈連接，如圖5所示，具體連桿15可設(shè)為由一體合成的u型連接件與連接桿組成，u型連接件的開口端固定連接于所述滑槽架末端，u型連接件開口端的兩支臂彎曲設(shè)置，這樣u型件可以防止與從第二驅(qū)動電機伸出的第二絲杠產(chǎn)生碰撞，同時可以增大小臂的旋轉(zhuǎn)角度，通過在u型連接件的兩支臂上、靠近開口端向內(nèi)設(shè)有卡接柱，在滑槽架末端兩側(cè)壁上設(shè)有與卡接柱相互適配的通孔，卡接柱穿過通孔，在卡接柱的末端設(shè)有卡銷，將u型連接件穩(wěn)定固定于滑槽架上，且不會從滑槽架上脫落；連接桿固定連接所述滑塊。滑塊與所述連桿通過鉸鏈連接。

本發(fā)明的仿人肘關(guān)節(jié)可用于連接在機器人上使用，通過大臂直接與肩關(guān)節(jié)連接。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明做其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。