拮抗式氣動肌肉驅動的變轉軸大轉角仿生膝關節的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于仿生機器人技術領域，特別涉及一種拮抗式氣動肌肉驅動的變轉軸大轉角仿生膝關節。
【背景技術】
[0002]傳統的轉動關節一般采用定軸轉動的設計，仿生特性不夠突出。人和動物的關節在轉動時有別于這種定軸轉動方式，而是在肌肉及肌腱拉動下，促使關節間兩軟骨端面發生相對滑動。由于軟骨端面的曲率比較復雜，因此人和動物關節的這種轉動可看作是轉軸位置在變化的一種轉動方式，即變轉軸轉動。現有的關節驅動方式一般為電機驅動，這種驅動方式由于需要加裝減速裝置，使得機構復雜臃腫。同時關節在擺動過程中往往使得電機處于頻繁加減速的運行狀態，效率低下。另外，電機作為一種剛性驅動元件，導致電機驅動的關節的仿生性能欠佳。氣動肌肉作為一種新型氣動執行元件，充氣后可以實現軸向收縮和徑向膨脹，具有很強的生物肌肉特性，同時具有功率重量比高、響應速度快、成本低廉等優點，在機器人、仿生機械等領域中有著廣泛的應用。
[0003]當前采用氣動肌肉驅動的關節多為拮抗式和并聯式。由于氣動肌肉的收縮率有限，使得關節的擺角范圍十分有限，且達不到人類和動物關節的仿生效果。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利文獻[申請號:201310460748.5]公開了一種氣動肌肉驅動的變轉軸仿生關節，包括筒身，筒身上側固設有上法蘭，筒身一側穿設有第一柔性連桿組件，另一側穿設有第二柔性連桿組件，筒身下側穿設有第三柔性連桿組件，筒身內上側設有彈性件，筒身內設有具有內凹側邊弧形的曲線邊緣轉盤，曲線邊緣轉盤上固連有下法蘭。該設計具有很好的仿生特性，但是機構設計較復雜，在工作時曲線邊緣轉盤與彈性件為滑動摩擦，使得控制難度較大。

【發明內容】

[0004]本發明的目的就是針對現有技術的缺陷與不足，提出了一種拮抗式氣動肌肉驅動的變轉軸大轉角仿生膝關節。
[0005]為解決上述問題，本發明采用了以下技術方案:它包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圓弧形齒條、限位塊、關節座、第一軸銷、第二軸銷、關節軸、第一直齒輪、第二直齒輪、第一軸承、第二軸承、第一氣動肌肉、第二氣動肌肉、I型接頭和關節支架。第一上固定座與第二上固定座之間設置有關節座，關節座的一端通過第一軸銷與第一上固定座、第二上固定座相鉸接，第一氣動肌肉的一端固接有I型接頭，且同樣通過第一軸銷與第一上固定座和第二上固定座相鉸接。關節支架的一端通過關節軸與關節座相鉸接，關節軸與關節座之間設置有第一軸承且關節軸與關節支架固接。第二氣動肌肉的一端固接有I型接頭且通過第二軸銷與關節座的另一端相鉸接，第一氣動肌肉、第二氣動肌肉以及關節支架的另一端均與下固定座固接。關節軸的兩端分別固接有第一直齒輪，第二軸銷的兩端分別設置有第二直齒輪，第二直齒輪與第二軸銷之間設置有第二軸承，第一直齒輪與第二直齒輪嚙合。所述的第一上固定座和第二上固定座中部鏤空，靠第二直齒輪左側的鏤空面為以第一軸銷為圓心的圓弧面，且圓弧面上設置有若干內齒形成圓弧形齒條。圓弧形齒條的分度圓半徑等于以第一軸銷到第二軸銷的距離與第二直齒輪分度圓半徑之和，且圓弧形齒條與第二直齒輪嚙合。在第一上固定座與第二上固定座之間以及關節座上方還設置有限位塊。
[0006]本發明采用氣動肌肉驅動，具有機構簡單、節能以及柔順性好等優點。關節在不同的轉角下，關節軸的位置也在發生變化，其軌跡為一圓弧。氣動肌肉拉動所實現的關節支架擺動效果與齒輪傳動引起的關節座擺動效果疊加，增加了關節的擺角范圍。對于膝關節來說，即實現了關節末端更高的離地高度，有利于完成越障、攀爬等動作。同時本發明很好的模擬了人類膝關節只能單側擺動的特性，值得應用。
【附圖說明】
[0007]圖1是關節的前視圖；
圖2是關節的局部剖面圖；
圖3是關節的局部左視圖；
圖4是關節工作示意圖。
[0008]圖中，101、第一上固定座；102、第二上固定座；la、圓弧形齒條；lb、限位塊;2、關節座;301、第一軸銷；302、第二軸銷;4、關節軸；501、第一直齒輪;502、第二直齒輪;601、第一軸承;602、第二軸承;701、第一氣動肌肉；702、第二氣動肌肉；8、1型接頭;9、關節支架。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
[0010]如圖1、圖2和圖3所示，本發明包括第一上固定座101、第二上固定座102、下固定座103、圓弧形齒條la、限位塊lb、關節座2、第一軸銷301、第二軸銷302、關節軸4、第一直齒輪501、第二直齒輪502、第一軸承601、第二軸承602、第一氣動肌肉701、第二氣動肌肉702、1型接頭8和關節支架9。第一上固定座101與第二上固定座102之間設置有關節座2，關節座2的一端通過第一軸銷301與第一上固定座101、第二上固定座102相鉸接，第一氣動肌肉701的一端固接有I型接頭8，且同樣通過第一軸銷301與第一上固定座101和第二上固定座102相鉸接。關節支架9的一端通過關節軸4與關節座2相鉸接，關節軸4與關節座2之間設置有第一軸承601且關節軸4與關節支架9固接。第二氣動肌肉702的一端固接有I型接頭8且通過第二軸銷302與關節座2的另一端相鉸接，第一氣動肌肉701、第二氣動肌肉702以及關節支架9的另一端均與下固定座103固接。關節軸4的兩端分別固接有第一直齒輪501，第二軸銷302的兩端分別設置有第二直齒輪502，第二直齒輪502與第二軸銷302之間設置有第二軸承602。所述的第一上固定座101和第二上固定座102中部鏤空，靠第二直齒輪502左側的鏤空面為以第一軸銷301為圓心的圓弧面，且圓弧面上設置有若干內齒形成圓弧形齒條la。圓弧形齒條Ia的分度圓半徑等于以第一軸銷301到第二軸銷302的距離與第二直齒輪502分度圓半徑之和，且圓弧形齒條Ia與第二直齒輪502嚙合。在第一上固定座101與第二上固定座102之間以及關節座2上方還設置有限位塊lb。
[0011]本發明裝置的工作過程:首先給定第一氣動肌肉701和第二氣動肌肉702內部相同氣壓，使得關節處于豎直狀態。接著逐漸增大第一氣動肌肉701內部氣壓，同時逐漸減小第二氣動肌肉702內部氣壓，關節支架9將以關節軸4為軸心逆時針擺動。由于關節軸4與第一直齒輪501以及關節支架9均固接，因此關節支架9的擺動將帶動第一直齒輪501逆時針轉動，從而使得與之嚙合的第二直齒輪502順時針轉動，最后第二直齒輪502在弧形齒條Ia上嚙合轉動，使得整個關節座2以第一軸銷301為軸心逆時針擺動。如圖4所示，第一氣動肌肉701和第二氣動肌肉702拉動所實現的關節支架9的擺動效果與齒輪傳動引起的關節座2的擺動效果疊加，增加了關節的擺角范圍。對于膝關節來說，即實現了關節末端更高的離地高度，有利于完成越障、攀爬等動作。限位塊Ib不僅起到固定第一上固定座101、第二上固定座102的作用，同時限制關節座2上擺，即使得關節只能逆時針擺動，從而讓關節具備人類膝關節只能單側擺動的特性。
[0012]以上所述僅是本發明的一個較佳實施例，凡是在不脫離本發明精神和范圍的前提下對本發明所做的各種改變和改進，都不會超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1.拮抗式氣動肌肉驅動的變轉軸大轉角仿生膝關節，包括第一上固定座(101)、第二上固定座(102)、下固定座(103)、圓弧形齒條(Ia)、限位塊(Ib)、關節座(2)、第一軸銷(301)、第二軸銷(302)、關節軸(4)、第一直齒輪(501)、第二直齒輪(502)、第一軸承(601)、第二軸承(602)、第一氣動肌肉(701)、第二氣動肌肉(702)、I型接頭(8)和關節支架(9)，其特征在于:第一上固定座(101)與第二上固定座(102)之間設置有關節座(2)，關節座(2)的一端通過第一軸銷(301)與第一上固定座(101)、第二上固定座(102)相鉸接，第一氣動肌肉(701)的一端固接有I型接頭(8)，且同樣通過第一軸銷(301)與第一上固定座(101)、第二上固定座(102)相鉸接;關節支架(9)的一端通過關節軸(4)與關節座(2)相鉸接，關節軸(4)與關節座(2)之間設置有第一軸承(601)且關節軸(4)與關節支架(9)固接;第二氣動肌肉(702)的一端固接有I型接頭(8)且通過第二軸銷(302)與關節座(2)的另一端相鉸接，第一氣動肌肉(701)、第二氣動肌肉(702)以及關節支架(9)的另一端均與下固定座(103)固接;關節軸(4)的兩端分別固接有第一直齒輪(501)，第二軸銷(302)的兩端分別設置有第二直齒輪(502)，第二直齒輪(502)與第二軸銷(302)之間設置有第二軸承(602)，第一直齒輪(501)與第二直齒輪(502)嚙合;所述的第一上固定座(101)和第二上固定座(102)中部鏤空，靠第二直齒輪(502)左側的鏤空面為以第一軸銷(301)為圓心的圓弧面，且圓弧面上設置有若干內齒形成圓弧形齒條(la);圓弧形齒條(Ia)的分度圓半徑等于以第一軸銷(301)到第二軸銷(302)的距離與第二直齒輪(502)分度圓半徑之和，且圓弧形齒條(Ia)與第二直齒輪(502)嚙合;在第一上固定座(101)與第二上固定座(102)之間以及關節座(2)上方還設置有限位塊(lb)。
【專利摘要】本發明屬于仿生機器人技術領域，特別涉及一種拮抗式氣動肌肉驅動的變轉軸大轉角仿生膝關節。本發明包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圓弧形齒條、限位塊、關節座、第一軸銷、第二軸銷、關節軸、第一直齒輪、第二直齒輪、第一軸承、第二軸承、第一氣動肌肉、第二氣動肌肉、I型接頭和關節支架。本發明采用氣動肌肉驅動，具有機構簡單、節能以及柔順性好等優點。氣動肌肉拉動實現的關節支架擺動與齒輪傳動引起的關節座擺動疊加，增加了關節的擺角范圍。同時本發明很好的模擬了人類膝關節只能單側擺動的特性，值得應用。
【IPC分類】B25J17/02
【公開號】CN105538339
【申請號】CN201610097028
【發明人】王斌銳, 沈國陽, 張斌, 王飛洋, 干蘇, 金英連
【申請人】中國計量學院
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年2月23日