本發(fā)明專利涉及肩關(guān)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，屬于一種基于介電彈性體作動器的仿人肩關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

仿人機器人是模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計制造的機器人，自1959年美國制造了第一臺工業(yè)機器人，在半個世紀內(nèi)，機器人的發(fā)展經(jīng)歷了工業(yè)機器人、遙控機器人、智能機器人和仿生機器人四個階段。仿人機器人必須擁有類似人類上肢的兩條機械臂，并在臂的末端有兩指或多指手部。這樣不僅可以滿足一般的機器人操作需求，而且可以實現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)控制和手指控制以實現(xiàn)更為復(fù)雜的操作。仿人機器人目前在軍事、醫(yī)療及服務(wù)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其不僅可以代替代替人類完成危險的工作，還可以幫助殘障人士完成日常的生活操作。目前仿人機械臂的驅(qū)動裝置主要采用電機與減速器配合的方案，機器人的多自由度運動采用的是多電機聯(lián)合實現(xiàn)，大大增加了機器人的質(zhì)量，使得傳動機構(gòu)更加復(fù)雜，也降低了安全性。專利申請?zhí)枮?01510311779.3，名稱為《一種基于多種人工肌肉混合驅(qū)動的仿人機械臂》的中國專利，發(fā)明的機械臂的肩關(guān)節(jié)有兩個自由度，通過電機齒輪傳動實現(xiàn)機械臂的整體俯仰及偏轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，但對制造和安裝精度要求比較高，運動時可能會產(chǎn)生震動，降低設(shè)備的使用壽命。專利申請?zhí)枮?01510016217.6，名稱為《一種基于人體工程學(xué)的七自由度仿人型機械臂系統(tǒng)》的中國專利，發(fā)明的機械臂構(gòu)型及尺寸與人體結(jié)構(gòu)尺寸相近，類似于人臂的結(jié)構(gòu)特征，能夠很好地模擬人臂運動。該機械臂采用液壓驅(qū)動，推力大，調(diào)速方便，但可靠性差，維修保養(yǎng)不方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便，可用于多種仿人機器人的一種基于介電彈性體作動器的仿人肩關(guān)節(jié)，該介電彈性體作動器可以直接對外做功、無需傳動機構(gòu)、工作平滑、無噪聲、環(huán)境適應(yīng)性強、對溫度和濕度不敏感，可在多種復(fù)雜環(huán)境下工作。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于介電彈性體作動器的仿人肩關(guān)節(jié)，其特征在于：它包括肩關(guān)節(jié)接口(1)、肩關(guān)節(jié)支架(2)、上臂支架(3)、兩個上臂連桿(4、7)和兩個介電彈性體作動器(5、6)；該肩關(guān)節(jié)接口上有一個回轉(zhuǎn)套筒(101)，用來連接安裝肩關(guān)節(jié)支架的前端，使肩關(guān)節(jié)支架能夠在肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)回轉(zhuǎn)運動；該肩關(guān)節(jié)支架(2)呈u形，在該肩關(guān)節(jié)支架(2)的開口端內(nèi)側(cè)對應(yīng)位置設(shè)有兩個位于同一軸線上的套筒(201)，上臂支架的中心軸(301)安裝在這兩個套筒(201)內(nèi)并且可以在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；上臂支架的前端伸出兩個對稱布置的半球形凹槽，用來與連桿的上端球頭相接，連桿下端與介電彈性體作動器的輸出端安裝在一起；兩個作動器同時作用，可以控制肩關(guān)節(jié)的運動方向和運動角度

本發(fā)明專利還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1、肩關(guān)節(jié)接口一端固定在機器人本體上，一端用于安裝連接肩關(guān)節(jié)支架；肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)安裝有滾動軸承，當(dāng)肩關(guān)節(jié)支架的前后兩側(cè)受力不平衡時，肩關(guān)節(jié)支架便可繞著肩關(guān)節(jié)接口產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，即肩關(guān)節(jié)的前后伸展。

2、肩關(guān)節(jié)支架上開有兩個同軸線的套筒，套筒內(nèi)安裝有滾動軸承，上臂支架的中心軸安裝在套筒內(nèi)；當(dāng)上臂支架的中心軸受到兩個同向的作用力時，上臂支架便會繞著肩關(guān)節(jié)支架轉(zhuǎn)動，即肩關(guān)節(jié)的左右擺動。

3、上臂支架通過兩個球面副與兩個上臂連桿相接，當(dāng)兩個上臂連桿的作用力方向相同時，上臂支架的中心軸在肩關(guān)節(jié)支架內(nèi)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個上臂連桿的作用力方向相反時，上臂支架與肩關(guān)節(jié)支架之間保持固定不動，肩關(guān)節(jié)支架在肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

4、介電彈性體作動器的輸出端通過球面副與上臂連桿相連，經(jīng)由上臂連桿將運動傳遞給上臂支架。

5、介電彈性體作動器在通電時能產(chǎn)生直線伸長，斷電后自動縮回；改變介電彈性體作動器輸入電壓的大小，可改變作動器的伸長量。

一種基于介電彈性體作動器的仿人肩關(guān)節(jié)的工作過程如下：當(dāng)兩個介電彈性體作動器同時通電時，作動器同時伸長，輸出直線位移，上臂連桿將該位移傳遞給上臂支架的中心軸，上臂支架受到推力在肩關(guān)節(jié)支架的套筒內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向外擺動，手臂外展；當(dāng)兩個介電彈性體作動器同時斷電時，作動器縮回，上臂連桿下落，上臂支架的中心軸在肩關(guān)節(jié)支架的套筒內(nèi)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向內(nèi)擺動，手臂收回。當(dāng)只有前側(cè)的介電彈性體作動器通電時，前側(cè)上臂連桿上升，推動上臂支架的前側(cè)，上臂支架隨肩關(guān)節(jié)支架一起在肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)向前旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向前翻轉(zhuǎn)，手臂前伸。反之，當(dāng)只有后側(cè)的介電彈性體作動器通電時，肩關(guān)節(jié)向后翻轉(zhuǎn)，手臂后伸。

本發(fā)明專利的優(yōu)點在于：

1、結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

肩關(guān)節(jié)支架與肩關(guān)節(jié)接口和上臂支架間構(gòu)成的兩個回轉(zhuǎn)副，可實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的前后伸展與左右擺動，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。介電彈性體作動器可以直接對外做功，無需傳動機構(gòu)，省去了傳統(tǒng)驅(qū)動方式的傳動系統(tǒng)，減少了能量損耗，提高了工作效率。

2、體積小，質(zhì)量輕。

介電彈性體作動器由新型柔性材料介電彈性體薄膜卷繞而成，在電場激勵下能產(chǎn)生大幅度的尺寸變化，能量密度高，相較于同規(guī)格的電機驅(qū)動的肩關(guān)節(jié)有更高的功率密度比。與傳統(tǒng)驅(qū)動方式相比，介電彈性體作動器體積小，質(zhì)量輕，極大地降低了肩關(guān)節(jié)的重量。

3、環(huán)境適應(yīng)性強。

介電彈性體作動器由電場激勵產(chǎn)生直線位移，工作平滑，無噪聲，對溫度和濕度不敏感，受環(huán)境影響很小，可以在多種復(fù)雜環(huán)境下工作，提高了肩關(guān)節(jié)的環(huán)境適應(yīng)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖。

具體實施方式

參見圖1、圖2所示：一種基于介電彈性體作動器的仿人肩關(guān)節(jié)它包括肩關(guān)節(jié)接口1、肩關(guān)節(jié)支架2、上臂支架3、兩個上臂連桿4、7和兩個介電彈性體作動器5、6；該肩關(guān)節(jié)接口上有一個回轉(zhuǎn)套筒101，用來連接安裝肩關(guān)節(jié)支架的前端，使肩關(guān)節(jié)支架能夠在肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)回轉(zhuǎn)運動；該肩關(guān)節(jié)支架2呈u形，在該肩關(guān)節(jié)支架2的開口端內(nèi)側(cè)對應(yīng)位置設(shè)有兩個位于同一軸線上的套筒201，上臂支架的中心軸301安裝在這兩個套筒201內(nèi)并且可以在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；上臂支架的前端伸出兩個對稱布置的半球形凹槽，用來與連桿的上端球頭相接，連桿下端與介電彈性體作動器的輸出端安裝在一起；兩個作動器同時作用，可以控制肩關(guān)節(jié)的運動方向和運動角度

肩關(guān)節(jié)接口1如圖1所示，肩關(guān)節(jié)接口1一端固定在機器人本體上，一端用于安裝連接肩關(guān)節(jié)支架2。肩關(guān)節(jié)接口內(nèi)安裝有滾動軸承，當(dāng)肩關(guān)節(jié)支架2的左右兩側(cè)受力不平衡時，肩關(guān)節(jié)支架2便可繞著肩關(guān)節(jié)接口1產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，即肩關(guān)節(jié)的前后伸展。

肩關(guān)節(jié)支架2如圖1所示，肩關(guān)節(jié)支架2上開有兩個同軸線的套筒201，套筒201內(nèi)安裝有滾動軸承，上臂支架3的中心軸安裝在套筒內(nèi)。當(dāng)上臂支架3的中心軸受到兩個同向的作用力時，上臂支架3便會繞著肩關(guān)節(jié)支架2轉(zhuǎn)動，即肩關(guān)節(jié)的左右擺動。

上臂支架3如圖1所示，上臂支架3通過兩個球面副與兩個上臂連桿4、7相接，當(dāng)兩個上臂連桿的作用力方向相同時，上臂支架3的中心軸301在肩關(guān)節(jié)支架2內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個上臂連桿的作用力方向相反時，上臂支架3與肩關(guān)節(jié)支架2之間保持固定不動，肩關(guān)節(jié)支架2在肩關(guān)節(jié)接口1內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

介電彈性體作動器5、6如圖1所示，介電彈性體作動器5、6的輸出端通過球面副與上臂連桿4、7相連，經(jīng)由連桿將運動傳遞給上臂支架。

介電彈性體作動器在通電時能產(chǎn)生直線伸長，斷電后自動縮回；改變介電彈性體作動器輸入電壓的大小，可改變作動器的伸長量。

本發(fā)明的工作原理是：當(dāng)兩個介電彈性體作動器5、6同時通電時，作動器同時伸長，輸出直線位移，上臂連桿4、7將該位移傳遞給上臂支架3的中心軸301，上臂支架3受到推力作業(yè)在肩關(guān)節(jié)支架2的套筒201內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向外擺動，手臂外展。當(dāng)兩個介電彈性體作動器5、6同時斷電時，作動器縮回，上臂連桿4、7下落，上臂支架3的中心軸在肩關(guān)節(jié)支架2的套筒內(nèi)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向內(nèi)擺動，手臂收回。當(dāng)只有前側(cè)的介電彈性體作動器5通電時，前側(cè)上臂連桿4上升，推動上臂支架3的前側(cè)，上臂支架3隨肩關(guān)節(jié)支架2一起在肩關(guān)節(jié)接口1內(nèi)向前旋轉(zhuǎn)，即肩關(guān)節(jié)向前翻轉(zhuǎn)，手臂前伸。反之，當(dāng)只有后側(cè)的介電彈性體作動器6通電時，肩關(guān)節(jié)向后翻轉(zhuǎn)，手臂后伸。

以上所述是本發(fā)明的較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。