CN105538339A - 拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节。本发明包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圆弧形齿条、限位块、关节座、第一轴销、第二轴销、关节轴、第一直齿轮、第二直齿轮、第一轴承、第二轴承、第一气动肌肉、第二气动肌肉、I型接头和关节支架。本发明采用气动肌肉驱动，具有机构简单、节能以及柔顺性好等优点。气动肌肉拉动实现的关节支架摆动与齿轮传动引起的关节座摆动叠加，增加了关节的摆角范围。同时本发明很好的模拟了人类膝关节只能单侧摆动的特性，值得应用。

Description

拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节。
背景技术
传统的转动关节一般采用定轴转动的设计，仿生特性不够突出。人和动物的关节在转动时有别于这种定轴转动方式，而是在肌肉及肌腱拉动下，促使关节间两软骨端面发生相对滑动。由于软骨端面的曲率比较复杂，因此人和动物关节的这种转动可看作是转轴位置在变化的一种转动方式，即变转轴转动。现有的关节驱动方式一般为电机驱动，这种驱动方式由于需要加装减速装置，使得机构复杂臃肿。同时关节在摆动过程中往往使得电机处于频繁加减速的运行状态，效率低下。另外，电机作为一种刚性驱动元件，导致电机驱动的关节的仿生性能欠佳。气动肌肉作为一种新型气动执行元件，充气后可以实现轴向收缩和径向膨胀，具有很强的生物肌肉特性，同时具有功率重量比高、响应速度快、成本低廉等优点，在机器人、仿生机械等领域中有着广泛的应用。
当前采用气动肌肉驱动的关节多为拮抗式和并联式。由于气动肌肉的收缩率有限，使得关节的摆角范围十分有限，且达不到人类和动物关节的仿生效果。经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献[申请号：201310460748.5]公开了一种气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，包括筒身，筒身上侧固设有上法兰，筒身一侧穿设有第一柔性连杆组件，另一侧穿设有第二柔性连杆组件，筒身下侧穿设有第三柔性连杆组件，筒身内上侧设有弹性件，筒身内设有具有内凹侧边弧形的曲线边缘转盘，曲线边缘转盘上固连有下法兰。该设计具有很好的仿生特性，但是机构设计较复杂，在工作时曲线边缘转盘与弹性件为滑动摩擦，使得控制难度较大。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷与不足，提出了一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节。
为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：它包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圆弧形齿条、限位块、关节座、第一轴销、第二轴销、关节轴、第一直齿轮、第二直齿轮、第一轴承、第二轴承、第一气动肌肉、第二气动肌肉、I型接头和关节支架。第一上固定座与第二上固定座之间设置有关节座，关节座的一端通过第一轴销与第一上固定座、第二上固定座相铰接，第一气动肌肉的一端固接有I型接头，且同样通过第一轴销与第一上固定座和第二上固定座相铰接。关节支架的一端通过关节轴与关节座相铰接，关节轴与关节座之间设置有第一轴承且关节轴与关节支架固接。第二气动肌肉的一端固接有I型接头且通过第二轴销与关节座的另一端相铰接，第一气动肌肉、第二气动肌肉以及关节支架的另一端均与下固定座固接。关节轴的两端分别固接有第一直齿轮，第二轴销的两端分别设置有第二直齿轮，第二直齿轮与第二轴销之间设置有第二轴承，第一直齿轮与第二直齿轮啮合。所述的第一上固定座和第二上固定座中部镂空，靠第二直齿轮左侧的镂空面为以第一轴销为圆心的圆弧面，且圆弧面上设置有若干内齿形成圆弧形齿条。圆弧形齿条的分度圆半径等于以第一轴销到第二轴销的距离与第二直齿轮分度圆半径之和，且圆弧形齿条与第二直齿轮啮合。在第一上固定座与第二上固定座之间以及关节座上方还设置有限位块。
本发明采用气动肌肉驱动，具有机构简单、节能以及柔顺性好等优点。关节在不同的转角下，关节轴的位置也在发生变化，其轨迹为一圆弧。气动肌肉拉动所实现的关节支架摆动效果与齿轮传动引起的关节座摆动效果叠加，增加了关节的摆角范围。对于膝关节来说，即实现了关节末端更高的离地高度，有利于完成越障、攀爬等动作。同时本发明很好的模拟了人类膝关节只能单侧摆动的特性，值得应用。
附图说明
图1是关节的前视图；
图2是关节的局部剖面图；
图3是关节的局部左视图；
图4是关节工作示意图。
图中，101、第一上固定座；102、第二上固定座；1a、圆弧形齿条；1b、限位块；2、关节座；301、第一轴销；302、第二轴销；4、关节轴；501、第一直齿轮；502、第二直齿轮；601、第一轴承；602、第二轴承；701、第一气动肌肉；702、第二气动肌肉；8、I型接头；9、关节支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明包括第一上固定座101、第二上固定座102、下固定座103、圆弧形齿条1a、限位块1b、关节座2、第一轴销301、第二轴销302、关节轴4、第一直齿轮501、第二直齿轮502、第一轴承601、第二轴承602、第一气动肌肉701、第二气动肌肉702、I型接头8和关节支架9。第一上固定座101与第二上固定座102之间设置有关节座2，关节座2的一端通过第一轴销301与第一上固定座101、第二上固定座102相铰接，第一气动肌肉701的一端固接有I型接头8，且同样通过第一轴销301与第一上固定座101和第二上固定座102相铰接。关节支架9的一端通过关节轴4与关节座2相铰接，关节轴4与关节座2之间设置有第一轴承601且关节轴4与关节支架9固接。第二气动肌肉702的一端固接有I型接头8且通过第二轴销302与关节座2的另一端相铰接，第一气动肌肉701、第二气动肌肉702以及关节支架9的另一端均与下固定座103固接。关节轴4的两端分别固接有第一直齿轮501，第二轴销302的两端分别设置有第二直齿轮502，第二直齿轮502与第二轴销302之间设置有第二轴承602。所述的第一上固定座101和第二上固定座102中部镂空，靠第二直齿轮502左侧的镂空面为以第一轴销301为圆心的圆弧面，且圆弧面上设置有若干内齿形成圆弧形齿条1a。圆弧形齿条1a的分度圆半径等于以第一轴销301到第二轴销302的距离与第二直齿轮502分度圆半径之和，且圆弧形齿条1a与第二直齿轮502啮合。在第一上固定座101与第二上固定座102之间以及关节座2上方还设置有限位块1b。
本发明装置的工作过程：首先给定第一气动肌肉701和第二气动肌肉702内部相同气压，使得关节处于竖直状态。接着逐渐增大第一气动肌肉701内部气压，同时逐渐减小第二气动肌肉702内部气压，关节支架9将以关节轴4为轴心逆时针摆动。由于关节轴4与第一直齿轮501以及关节支架9均固接，因此关节支架9的摆动将带动第一直齿轮501逆时针转动，从而使得与之啮合的第二直齿轮502顺时针转动，最后第二直齿轮502在弧形齿条1a上啮合转动，使得整个关节座2以第一轴销301为轴心逆时针摆动。如图4所示，第一气动肌肉701和第二气动肌肉702拉动所实现的关节支架9的摆动效果与齿轮传动引起的关节座2的摆动效果叠加，增加了关节的摆角范围。对于膝关节来说，即实现了关节末端更高的离地高度，有利于完成越障、攀爬等动作。限位块1b不仅起到固定第一上固定座101、第二上固定座102的作用，同时限制关节座2上摆，即使得关节只能逆时针摆动，从而让关节具备人类膝关节只能单侧摆动的特性。
以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，凡是在不脱离本发明精神和范围的前提下对本发明所做的各种改变和改进，都不会超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节，包括第一上固定座（101）、第二上固定座（102）、下固定座（103）、圆弧形齿条（1a）、限位块（1b）、关节座（2）、第一轴销（301）、第二轴销（302）、关节轴（4）、第一直齿轮（501）、第二直齿轮（502）、第一轴承（601）、第二轴承（602）、第一气动肌肉（701）、第二气动肌肉（702）、I型接头（8）和关节支架（9），其特征在于：第一上固定座（101）与第二上固定座（102）之间设置有关节座（2），关节座（2）的一端通过第一轴销（301）与第一上固定座（101）、第二上固定座（102）相铰接，第一气动肌肉（701）的一端固接有I型接头（8），且同样通过第一轴销（301）与第一上固定座（101）、第二上固定座（102）相铰接；关节支架（9）的一端通过关节轴（4）与关节座（2）相铰接，关节轴（4）与关节座（2）之间设置有第一轴承（601）且关节轴（4）与关节支架（9）固接；第二气动肌肉（702）的一端固接有I型接头（8）且通过第二轴销（302）与关节座（2）的另一端相铰接，第一气动肌肉（701）、第二气动肌肉（702）以及关节支架（9）的另一端均与下固定座（103）固接；关节轴（4）的两端分别固接有第一直齿轮（501），第二轴销（302）的两端分别设置有第二直齿轮（502），第二直齿轮（502）与第二轴销(302)之间设置有第二轴承（602），第一直齿轮（501）与第二直齿轮（502）啮合；所述的第一上固定座（101）和第二上固定座（102）中部镂空，靠第二直齿轮（502）左侧的镂空面为以第一轴销（301）为圆心的圆弧面，且圆弧面上设置有若干内齿形成圆弧形齿条（1a）；圆弧形齿条（1a）的分度圆半径等于以第一轴销（301）到第二轴销（302）的距离与第二直齿轮（502）分度圆半径之和，且圆弧形齿条（1a）与第二直齿轮（502）啮合；在第一上固定座（101）与第二上固定座（102）之间以及关节座（2）上方还设置有限位块（1b）。
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