CN108481308A - 一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其以气动肌肉和气缸驱动肩关节、腰关节、髋关节、膝关节和脚的运动，具有完全模拟人运动的功能；该仿人型机器人由气缸、胸骨、椎骨、骨盆、股骨、气动肌肉、连接板、腓骨以及脚组成，由多个气缸并联驱动的肩关节和腰关节具有屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动，多根气动肌肉驱动的髋关节和膝关节均具有屈伸、收展、环转的运动，多个小腿气缸与脚气缸相结合驱动脚屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动。本发明以气动肌肉和气缸驱动，具有结构紧凑、清洁、刚柔混合的特点，可用于展览、演示。

Description

一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人

技术领域

本发明属于仿人机器人技术领域，涉及一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人。

背景技术

仿人型机器人具有与人类相类似的特点，作为所有机器人技术中具有结构最复杂、集成度最高的一类机器人，由于其外形和功能与人类相似，比较适合应用于人类的生活、工作中和人类协同作业。气动肌肉具有与人的肌肉相类似的特性，气缸作为另外一种气动执行元件具有运动范围大的特点，把气动肌肉与气缸相结合，能够较好的设计出兼顾柔顺性和运动范围的仿人型机器人。人类经过几千万年的进化，人体肌肉和关节的分布已经得到了极大的优化，能够适应各种环境，驱动髋关节的部分人体肌肉起始于人的腰关节，仿人型机器人基本上没有涉及到这些。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，本发明结构紧凑、清洁、刚柔混合等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，该机器人包括左肩、右肩、胸骨、腰部、左腿和右腿，所述的左肩与右肩对称连接在所述的胸骨的两端，所述的腰部连接在所述的胸骨的下部，所述的左腿和右腿对称连接在所述的腰部的下端面；

所述的左肩包括肩关节气缸连接板、肩关节气缸一、肩关节气缸二、肩关节气缸三、肩关节气缸四、肩关节气缸五、肩关节气缸六，所述的肩关节气缸一、肩关节气缸二、肩关节气缸三、肩关节气缸四、肩关节气缸五和肩关节气缸六的两端均可转动连接在肩关节气缸连接板和胸骨上；

所述的右肩与所述的左肩结构相同；

所述的腰部包括椎骨、腰关节气缸一、腰关节气缸二、腰关节气缸三、骨盆、腰关节气动肌肉连接板、腰关节气缸连接板、腰关节气缸四、腰关节气缸五、腰关节气缸六，所述的腰关节气动肌肉连接板与所述的胸骨固定连接，所述的椎骨两端分别与所述的腰关节气动肌肉连接板和腰关节气缸连接板可转动连接，所述的腰关节气缸一、腰关节气缸二、腰关节气缸三、腰关节气缸四、腰关节气缸五和腰关节气缸六的两端均分别与所述的腰关节气缸连接板、骨盆可转动连接；

所述的左腿包括股骨第一段、髋关节气动肌肉一、髋关节气动肌肉二、髋关节气动肌肉三、髋关节气动肌肉四、髋关节气动肌肉五、髋关节气动肌肉连接板、膝关节气动肌肉一、膝关节气动肌肉二、膝关节气动肌肉三、膝关节气动肌肉四、股骨第二段、膝关节气动肌肉连接板、腓骨、小腿气缸一、小腿气缸二、小腿气缸三、脚气缸一、脚；所述的股骨第一段一端与所述的骨盆可转动连接，另一端与髋关节气动肌肉连接板固定连接；所述的股骨第二段的一端与所述的髋关节气动肌肉连接板固定连接，另一端与膝关节气动肌肉连接板可转动连接；所述的髋关节气动肌肉一两端分别与骨盆、髋关节气动肌肉连接板后侧可转动连接，髋关节气动肌肉二、髋关节气动肌肉三两端分别与髋关节气动肌肉连接板内侧、腰关节气动肌肉连接板外侧可转动连接；髋关节气动肌肉四、髋关节气动肌肉五两端均分别与骨盆、髋关节气动肌肉连接板外侧可转动连接；所述的膝关节气动肌肉一、膝关节气动肌肉二两端分别与骨盆外侧、膝关节气动肌肉连接板内侧可转动连接，膝关节气动肌肉三两端分别与骨盆外侧、膝关节气动肌肉连接板外侧可转动连接，膝关节气动肌肉四两端分别与髋关节气动肌肉连接板、膝关节气动肌肉连接板外侧可转动连接；小腿气缸一、小腿气缸二、小腿气缸三两端分别与膝关节气动肌肉连接板、脚的后端可转动连接，腓骨上端与膝关节气动肌肉连接板固定连接，腓骨下端与脚气缸一的一端可转动连接，脚气缸一的另一端与脚的前端可转动连接；

所述的右腿与所述的左腿结构相同。

优选地，所述的肩关节气缸一、肩关节气缸二、肩关节气缸三、肩关节气缸四、肩关节气缸五、肩关节气缸六采用气动肌肉替换，且同时肩关节气缸连接板与胸骨之间通过杆可转动连接。

优选地，所述的腰关节气缸一、腰关节气缸二、腰关节气缸三、腰关节气缸四、腰关节气缸五、腰关节气缸六可采用气动肌肉替换，且同时所述的骨盆与腰关节气缸连接板之间通过杆可转动连接。

优选地，所述的髋关节气动肌肉一、髋关节气动肌肉二、髋关节气动肌肉三、髋关节气动肌肉四、髋关节气动肌肉五、膝关节气动肌肉一、膝关节气动肌肉二、膝关节气动肌肉三、膝关节气动肌肉四可采用气缸、电缸或液压缸替换。

优选地，所述的小腿气缸三、脚气缸一可用气动肌肉、电缸、液压缸替换。

优选地，所述的胸骨和骨盆为曲面镂空结构。

优选地，所述的脚气缸一的另一端通过脚气缸连接件与脚的前端可转动连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用气动肌肉与气缸混合驱动仿人型机器人关节，可以同时实现关节的刚柔结合，既增大了关节的柔顺性又保证关节的运动空间较大；

2.本发明气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；

3.本发明肩关节、腰关节、髋关节、膝关节、脚分别具有6、6、3、3、6个自由度，整个机器人具有42个自由度，可以形象地模拟人可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和执行元件在人关节运动中的作用。

附图说明

图1是气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人整体机械结构示意图；

图2是仿人型机器人肩关节机械结构示意图；

图3是仿人型机器人腰关节与大腿关节机械结构示意图；

图4是仿人型机器人膝关节与小腿关节机械结构示意图；

图中：肩关节气缸连接板1、肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、胸骨6、肩关节气缸五7、肩关节气缸六8、椎骨9、腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、骨盆13、股骨第一段14、髋关节气动肌肉一15、髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17、髋关节气动肌肉四18、髋关节气动肌肉五19、髋关节气动肌肉连接板20、腰关节气动肌肉连接板21、腰关节气缸连接板22、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24、腰关节气缸六25、膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29、股骨第二段30、膝关节气动肌肉连接板31、腓骨32、小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35、脚气缸一36、脚37、脚气缸连接件38。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2、3、4所示，一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，该机器人包括左肩、右肩、胸骨6、腰部、左腿和右腿，左肩与右肩对称连接在胸骨6的两端，腰部连接在胸骨6的下部，左腿和右腿对称连接在腰部的下端面；

左肩包括肩关节气缸连接板1、肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、肩关节气缸五7、肩关节气缸六8，所述的肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、肩关节气缸五7和肩关节气缸六8的两端均可转动连接在肩关节气缸连接板1和胸骨6上；

右肩与左肩结构相同；

腰部包括椎骨9、腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、骨盆13、腰关节气动肌肉连接板21、腰关节气缸连接板22、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24、腰关节气缸六25，腰关节气动肌肉连接板21与胸骨6固定连接，椎骨9两端分别与腰关节气动肌肉连接板21和腰关节气缸连接板22可转动连接，腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24和腰关节气缸六25的两端均分别与腰关节气缸连接板22、骨盆13可转动连接；

左腿包括股骨第一段14、髋关节气动肌肉一15、髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17、髋关节气动肌肉四18、髋关节气动肌肉五19、髋关节气动肌肉连接板20、膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29、股骨第二段30、膝关节气动肌肉连接板31、腓骨32、小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35、脚气缸一36、脚37；所述的股骨第一段14一端与所述的骨盆13可转动连接，另一端与髋关节气动肌肉连接板20固定连接；所述的股骨第二段30的一端与所述的髋关节气动肌肉连接板20固定连接，另一端与膝关节气动肌肉连接板31可转动连接；所述的髋关节气动肌肉一15两端分别与骨盆13、髋关节气动肌肉连接板20后侧可转动连接，髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17两端分别与髋关节气动肌肉连接板20内侧、腰关节气动肌肉连接板21外侧可转动连接；髋关节气动肌肉四18、髋关节气动肌肉五19两端均分别与骨盆13、髋关节气动肌肉连接板20外侧可转动连接；所述的膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27两端分别与骨盆13外侧、膝关节气动肌肉连接板31内侧可转动连接，膝关节气动肌肉三28两端分别与骨盆13外侧、膝关节气动肌肉连接板31外侧可转动连接，膝关节气动肌肉四29两端分别与髋关节气动肌肉连接板20、膝关节气动肌肉连接板31外侧可转动连接；小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35两端分别与膝关节气动肌肉连接板31、脚37的后端可转动连接，脚37的前端与脚气缸连接件38固定连接，腓骨32上端与膝关节气动肌肉连接板31固定连接，腓骨32下端与脚气缸一36的一端可转动连接，脚气缸一36的另一端与脚气缸连接件38可转动连接；

右腿与左腿结构相同；

肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、肩关节气缸五7、肩关节气缸六8驱动肩关节气缸连接板1相对于胸骨6屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动。同样，腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24、腰关节气缸六25驱动肩关节气缸连接板1、肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、胸骨6、肩关节气缸五7、肩关节气缸六8、椎骨9、腰关节气动肌肉连接板21、腰关节气缸连接板22相对于骨盆13屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动。

髋关节气动肌肉一15、髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17、髋关节气动肌肉四18、髋关节气动肌肉五19驱动股骨第一段14、髋关节气动肌肉连接板20、膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29、股骨第二段30、膝关节气动肌肉连接板31、腓骨32、小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35、脚气缸一36、脚37、脚气缸连接件38相对于骨盆13屈伸、收展、环转。

腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24、腰关节气缸六25则在驱动腰关节气动肌肉连接板21相对于骨盆13屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动的同时，间接通过髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17驱动股骨第一段14、髋关节气动肌肉连接板20、膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29、股骨第二段30、膝关节气动肌肉连接板31、腓骨32、小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35、脚气缸一36、脚37、脚气缸连接件38相对于骨盆13屈伸、收展、环转。

膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29则驱动膝关节气动肌肉连接板31、腓骨32、小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35、脚气缸一36、脚37、脚气缸连接件38相对于股骨第二段30屈伸、收展、环转。小腿气缸一33、小腿气缸二34、小腿气缸三35与脚气缸一36一起驱动脚气缸一36、脚37、脚气缸连接件38相对于腓骨32屈伸、收展、环转以及XYZ三个方向的移动。

优选地，肩关节气缸一2、肩关节气缸二3、肩关节气缸三4、肩关节气缸四5、肩关节气缸五7、肩关节气缸六8采用气动肌肉替换，且同时肩关节气缸连接板1与胸骨6之间通过杆可转动连接。

优选地，腰关节气缸一10、腰关节气缸二11、腰关节气缸三12、腰关节气缸四23、腰关节气缸五24、腰关节气缸六25可采用气动肌肉替换，且同时所述的骨盆13与腰关节气缸连接板22之间通过杆可转动连接。

优选地，髋关节气动肌肉一15、髋关节气动肌肉二16、髋关节气动肌肉三17、髋关节气动肌肉四18、髋关节气动肌肉五19、膝关节气动肌肉一26、膝关节气动肌肉二27、膝关节气动肌肉三28、膝关节气动肌肉四29可采用气缸、电缸或液压缸替换。

优选地，小腿气缸三35、脚气缸一36可用气动肌肉、电缸、液压缸替换。

优选地，胸骨6和骨盆13为曲面镂空结构。

本发明，通过控制各关节驱动气缸和气动肌肉，实现仿人机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉与气缸混联仿人机器人无法比拟的优势。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，该机器人包括左肩、右肩、胸骨(6)、腰部、左腿和右腿，所述的左肩与右肩对称连接在所述的胸骨(6)的两端，所述的腰部连接在所述的胸骨(6)的下部，所述的左腿和右腿对称连接在所述的腰部的下端面。

所述的左肩包括肩关节气缸连接板(1)、肩关节气缸一(2)、肩关节气缸二(3)、肩关节气缸三(4)、肩关节气缸四(5)、肩关节气缸五(7)、肩关节气缸六(8)，所述的肩关节气缸一(2)、肩关节气缸二(3)、肩关节气缸三(4)、肩关节气缸四(5)、肩关节气缸五(7)和肩关节气缸六(8)的两端均可转动连接在肩关节气缸连接板(1)和胸骨(6)上。

所述的右肩与所述的左肩结构相同。

所述的腰部包括椎骨(9)、腰关节气缸一(10)、腰关节气缸二(11)、腰关节气缸三(12)、骨盆(13)、腰关节气动肌肉连接板(21)、腰关节气缸连接板(22)、腰关节气缸四(23)、腰关节气缸五(24)、腰关节气缸六(25)，所述的腰关节气动肌肉连接板(21)与所述的胸骨(6)固定连接，所述的椎骨(9)两端分别与所述的腰关节气动肌肉连接板(21)和腰关节气缸连接板(22)可转动连接，所述的腰关节气缸一(10)、腰关节气缸二(11)、腰关节气缸三(12)、腰关节气缸四(23)、腰关节气缸五(24)和腰关节气缸六(25)的两端均分别与所述的腰关节气缸连接板(22)、骨盆(13)可转动连接。

所述的左腿包括股骨第一段(14)、髋关节气动肌肉一(15)、髋关节气动肌肉二(16)、髋关节气动肌肉三(17)、髋关节气动肌肉四(18)、髋关节气动肌肉五(19)、髋关节气动肌肉连接板(20)、膝关节气动肌肉一(26)、膝关节气动肌肉二(27)、膝关节气动肌肉三(28)、膝关节气动肌肉四(29)、股骨第二段(30)、膝关节气动肌肉连接板(31)、腓骨(32)、小腿气缸一(33)、小腿气缸二(34)、小腿气缸三(35)、脚气缸一(36)、脚(37)；所述的股骨第一段(14)一端与所述的骨盆(13)可转动连接，另一端与髋关节气动肌肉连接板(20)固定连接；所述的股骨第二段(30)的一端与所述的髋关节气动肌肉连接板(20)固定连接，另一端与膝关节气动肌肉连接板(31)可转动连接；所述的髋关节气动肌肉一(15)两端分别与骨盆(13)、髋关节气动肌肉连接板(20)后侧可转动连接，髋关节气动肌肉二(16)、髋关节气动肌肉三(17)两端分别与髋关节气动肌肉连接板(20)内侧、腰关节气动肌肉连接板(21)外侧可转动连接；髋关节气动肌肉四(18)、髋关节气动肌肉五(19)两端均分别与骨盆(13)、髋关节气动肌肉连接板(20)外侧可转动连接；所述的膝关节气动肌肉一(26)、膝关节气动肌肉二(27)两端分别与骨盆(13)外侧、膝关节气动肌肉连接板(31)内侧可转动连接，膝关节气动肌肉三(28)两端分别与骨盆(13)外侧、膝关节气动肌肉连接板(31)外侧可转动连接，膝关节气动肌肉四(29)两端分别与髋关节气动肌肉连接板(20)、膝关节气动肌肉连接板(31)外侧可转动连接；小腿气缸一(33)、小腿气缸二(34)、小腿气缸三(35)两端分别与膝关节气动肌肉连接板(31)、脚(37)的后端可转动连接，腓骨(32)上端与膝关节气动肌肉连接板(31)固定连接，腓骨(32)下端与脚气缸一(36)的一端可转动连接，脚气缸一(36)的另一端与脚(37)的前端可转动连接。

所述的右腿与所述的左腿结构相同。

2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的肩关节气缸一(2)、肩关节气缸二(3)、肩关节气缸三(4)、肩关节气缸四(5)、肩关节气缸五(7)、肩关节气缸六(8)采用气动肌肉替换，且同时肩关节气缸连接板(1)与胸骨(6)之间通过杆可转动连接。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的腰关节气缸一(10)、腰关节气缸二(11)、腰关节气缸三(12)、腰关节气缸四(23)、腰关节气缸五(24)、腰关节气缸六(25)可采用气动肌肉替换，且同时所述的骨盆(13)与腰关节气缸连接板(22)之间通过杆可转动连接。

4.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的髋关节气动肌肉一(15)、髋关节气动肌肉二(16)、髋关节气动肌肉三(17)、髋关节气动肌肉四(18)、髋关节气动肌肉五(19)、膝关节气动肌肉一(26)、膝关节气动肌肉二(27)、膝关节气动肌肉三(28)、膝关节气动肌肉四(29)可采用气缸、电缸或液压缸替换。

5.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的小腿气缸三(35)、脚气缸一(36)可用气动肌肉、电缸、液压缸替换。

6.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的胸骨(6)和骨盆(13)为曲面镂空结构。

7.根据权利要求1所述的基于气动肌肉与气缸混联的仿人型机器人，其特征在于，所述的脚气缸一(36)的另一端通过脚气缸连接件(38)与脚(37)的前端可转动连接。