CN110434846B - 一种基于气动的仿人机器人*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气动的仿人机器人***，下肢装置连接腰部装置，腰部装置连接上肢装置；下肢装置的第一横向气缸通过第二横向气缸连接第三横向气缸，第一横向气缸，第二横向气缸和第三横向气缸两两相互垂直；第二横向气缸通过第一连接件连接相互平行的第二纵向气缸和第五纵向气缸，第二纵向气缸两端分别垂直连接第一纵向气缸和第三纵向气缸，第五纵向气缸两端分别垂直连接第四纵向气缸和第六纵向气缸；本发明结构紧凑、刚度大、力矩大柔顺性好、适应复杂地形运动。

Description

一种基于气动的仿人机器人***

技术领域

本发明涉及机器人设备技术领域，特别是一种结构紧凑、刚度大、力矩大柔顺性好、适应复杂地形运动的基于气动的仿人机器人***。

背景技术

面对复杂的地形，如平整的地形、泥泞的路况以及存在障碍物的路况，如何使得机器人能够适应各种地形是机器人必备的能力之一。中国专利CN104890752A、CN208573916U、CN109533069A、CN101947776A提出轮式越障机器人，中国专利CN106314577A、CN109436112A、CN108594820A提出履带式越障机器人，但是运动的自由度受到很大限制，同时不具备防爆的能力。

并联机构具有精度较高、结构稳定、反解容易求解等优点，中国专利CN107933732A、CN109048867A、CN107962551A、CN107738249A、

CN107139163A、CN104354154A均提出基于并联机构的机器人***，但是最大的承载能力受到单个支链的刚度、承载力的影响，刚度较低，同时承载能力有限，不具备柔顺性。

需要一种结构紧凑、刚度大、力矩大柔顺性好、适应复杂地形运动的基于气动的仿人机器人***。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、刚度大、力矩大柔顺性好、适应复杂地形运动的基于气动的仿人机器人***。

一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，包括：

下肢装置，所述下肢装置连接腰部装置，所述腰部装置连接上肢装置；

所述下肢装置的第一横向气缸通过第二横向气缸连接第三横向气缸，所述第一横向气缸，第二横向气缸和第三横向气缸两两相互垂直；所述第二横向气缸通过第一连接件连接相互平行的第二纵向气缸和第五纵向气缸，所述第二纵向气缸两端分别垂直连接第一纵向气缸和第三纵向气缸，所述第五纵向气缸两端分别垂直连接第四纵向气缸和第六纵向气缸；

所述第一连接件固定腰部装置的第二连接件，所述第二连接件上可转动连接至少三个下端气缸，所述下端气缸的上端可转动连接到第一连接板上，所述下端气缸的上端通过上连接杆可转动连接到中间连接件的上部，所述下端气缸的下端通过下连接杆可转动连接到中间连接件的下部，所述第一连接板的上部设置至少三个可转动连接点，每个可转动连接点可转动连接两个连接气缸，相邻的连接气缸上端相互可转动连接后连接到第二连接板；

所述第二连接板固定到上肢装置的第一固定支撑板，所述第一固定支撑板可转动连接至少三个第一气动肌肉后，可转动连接到第二固定支撑板，所述第二固定支撑板可转动连接至少三个第二气动肌肉后，可转动连接到第三固定支撑板，所述第一固定支撑板和第三固定支撑板之间可转动连接第三气动肌肉。

所述上连接杆和下连接杆端部分别设置第一万向节母头，所述第一万向节母头连接十字架，所述十字架分别连接万向节公头和第二万向节母头，所述第二万向节母头固定在下端气缸的端部。

所述第二纵向气缸和第五纵向气缸处于水平位置。

所述第一连接件的两端分别固定第二纵向气缸和第五纵向气缸，底部套在第二横向气缸上，上部固定第二连接件。

所述第二连接件为圆环形，所述第一连接板和第二连接板为圆形板。

所述中间连接件为圆柱形，位于第二连接件和第一连接板之间。

所述第一固定支撑板，第二固定支撑板和第三固定支撑板为圆形板状，所述第二固定支撑板分别小于第一固定支撑板和第三固定支撑板的大小。

所述第一气动肌肉为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板和第二固定支撑板上，所述第二气动肌肉为三个，均匀或不均匀分布在第二固定支撑板和第三固定支撑板上，所述第三气动肌肉为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板和第三固定支撑板上。

所述第一横向气缸，第二横向气缸，第三横向气缸，第一纵向气缸，第二纵向气缸，第三纵向气缸，第四纵向气缸第五纵向气缸和第六纵向气缸分别连接气动阀，组成上肢控制装置，所述下端气缸和连接气缸分别连接气动阀，组成腰部控制装置，所述第一气动肌肉，第二气动肌肉和第三气动肌肉分别连接气动阀，组成下肢控制装置，所述上肢控制装置，腰部控制装置和下肢控制装置分别连接计算机。

所述计算机采用Modbus或CAN总线分别连接上肢控制装置，腰部控制装置和下肢控制装置，所述气动阀为气动比例压力阀或者气动高速开关阀。

本发明下肢装置连接腰部装置，腰部装置连接上肢装置；下肢装置的第一横向气缸通过第二横向气缸连接第三横向气缸，第一横向气缸，第二横向气缸和第三横向气缸两两相互垂直；第二横向气缸通过第一连接件连接相互平行的第二纵向气缸和第五纵向气缸，第二纵向气缸两端分别垂直连接第一纵向气缸和第三纵向气缸，第五纵向气缸两端分别垂直连接第四纵向气缸和第六纵向气缸；第一连接件固定腰部装置的第二连接件，第二连接件上可转动连接至少三个下端气缸，下端气缸的上端可转动连接到第一连接板上，下端气缸的上端通过上连接杆可转动连接到中间连接件的上部，下端气缸的下端通过下连接杆可转动连接到中间连接件的下部，第一连接板的上部设置至少三个可转动连接点，每个可转动连接点可转动连接两个连接气缸，相邻的连接气缸上端相互可转动连接后连接到第二连接板；第二连接板固定到上肢装置的第一固定支撑板，第一固定支撑板可转动连接至少三个第一气动肌肉后，可转动连接到第二固定支撑板，第二固定支撑板可转动连接至少三个第二气动肌肉后，可转动连接到第三固定支撑板，第一固定支撑板和第三固定支撑板之间可转动连接第三气动肌肉。本发明结构紧凑、刚度大、力矩大柔顺性好、适应复杂地形运动。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用无杆气缸与薄壁气缸的组合保证了下肢***可以实现横向、纵向运动的自由切换；

2.本发明利用气缸多构件固定点连接组成腰关节，既保证了运动误差小、输出力大，又保证关节的刚度大的优点；

3.本发明同时采用多层混联气动肌肉构建上肢***具有柔顺性好、占用空间小、输出力大灯优点，本发明可用于越障、排爆、救援等领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明下肢装置的结构示意图；

图3为本发明腰部装置的结构示意图；

图4为本发明下端气缸的结构示意图；

图5为本发明上肢装置的结构示意图；

图6为本发明的控制关系图；

图中：1、下肢装置，2、腰部装置，3、上肢装置，4、第一横向气缸，5、第二横向气缸，6、第三横向气缸，7、第一纵向气缸，8、第二纵向气缸，9、第三纵向气缸，10、第四纵向气缸，11、第五纵向气缸，12、第六纵向气缸，13、第一连接件，14、第二连接件，15、下端气缸，16、上连接杆，17、下连接杆，18、中间连接件，19、第一连接板，20、连接气缸，21、第二连接板，22、第一万向节母头，23、十字架，24、万向节公头，25、第二万向节母头，26、第一固定支撑板，27、第一气动肌肉，28、第二固定支撑板，29、第二气动肌肉，30、第三固定支撑板，31、第三气动肌肉，32、上肢控制装置，33、腰部控制装置，34、下肢控制装置，35、计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种基于气动的仿人机器人***，包括：下肢装置1，下肢装置1连接腰部装置2，腰部装置2连接上肢装置3；下肢装置1的第一横向气缸4通过第二横向气缸5连接第三横向气缸6，第一横向气缸4，第二横向气缸5和第三横向气缸6两两相互垂直；第二横向气缸5通过第一连接件13连接相互平行的第二纵向气缸8和第五纵向气缸11，第二纵向气缸8两端分别垂直连接第一纵向气缸7和第三纵向气缸9，第五纵向气缸11两端分别垂直连接第四纵向气缸10和第六纵向气缸12；第一连接件13固定腰部装置2的第二连接件14，第二连接件14上可转动连接至少三个下端气缸15，下端气缸15的上端可转动连接到第一连接板19上，下端气缸15的上端通过上连接杆16可转动连接到中间连接件18的上部，下端气缸15的下端通过下连接杆17可转动连接到中间连接件18的下部，第一连接板19的上部设置至少三个可转动连接点，每个可转动连接点可转动连接两个连接气缸20，相邻的连接气缸20上端相互可转动连接后连接到第二连接板21；第二连接板21固定到上肢装置3的第一固定支撑板26，第一固定支撑板26可转动连接至少三个第一气动肌肉27后，可转动连接到第二固定支撑板28，第二固定支撑板28可转动连接至少三个第二气动肌肉29后，可转动连接到第三固定支撑板30，第一固定支撑板26和第三固定支撑板30之间可转动连接第三气动肌肉31。

上连接杆16和下连接杆17端部分别设置第一万向节母头22，第一万向节母头22连接十字架23，十字架23分别连接万向节公头24和第二万向节母头25，第二万向节母头25固定在下端气缸15的端部。

第二纵向气缸8和第五纵向气缸11处于水平位置。第一连接件13的两端分别固定第二纵向气缸8和第五纵向气缸11，底部套在第二横向气缸5上，上部固定第二连接件14。第二连接件14为圆环形，第一连接板19和第二连接板21为圆形板。中间连接件18为圆柱形，位于第二连接件14和第一连接板19之间。第一固定支撑板26，第二固定支撑板28和第三固定支撑板30为圆形板状，第二固定支撑板28分别小于第一固定支撑板26和第三固定支撑板30的大小。第一气动肌肉27为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板26和第二固定支撑板28上，第二气动肌肉29为三个，均匀或不均匀分布在第二固定支撑板28和第三固定支撑板30上，第三气动肌肉31为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板26和第三固定支撑板30上。

第一横向气缸4，第二横向气缸5，第三横向气缸6，第一纵向气缸7，第二纵向气缸8，第三纵向气缸9，第四纵向气缸10第五纵向气缸11和第六纵向气缸12分别连接气动阀，组成上肢控制装置32，下端气缸15和连接气缸20分别连接气动阀，组成腰部控制装置33，第一气动肌肉27，第二气动肌肉29和第三气动肌肉31分别连接气动阀，组成下肢控制装置34，上肢控制装置32，腰部控制装置33和下肢控制装置34分别连接计算机35。计算机35采用Modbus或CAN总线分别连接上肢控制装置32，腰部控制装置33和下肢控制装置34，气动阀为气动比例压力阀或者气动高速开关阀。

下肢装置1的第二纵向气缸8和第五纵向气缸11和第二横向气缸5在平面内相互垂直。当下肢装置1需要纵向运动时，第一纵向气缸7，第三纵向气缸9，第四纵向气缸10和第六纵向气缸12的工作杆收缩。第一横向气缸4和第三横向气缸6的工作杆伸出，支撑起下肢装置1。由第二纵向气缸8带动第一纵向气缸7和第三纵向气缸9，第五纵向气缸11带动第四纵向气缸10和第六纵向气缸12纵向运动。当下肢装置1需要横向运动时，第一纵向气缸7，第三纵向气缸9，第四纵向气缸10和第六纵向气缸12的工作杆伸出。第一横向气缸4和第三横向气缸6的工作杆收缩，支撑起下肢装置1。由第二横向气缸5带动第一横向气缸4和第三横向气缸6实现横向运动。

第一连接件13固定腰部装置2的第二连接件14，下端气缸15上下两端分别与第二连接件14和第一连接板19可转动连接。下端气缸15驱动第一连接板19运动，使腰部装置2具有X、Y、Z三个方向的转动。连接气缸20上下两端分别与第一连接板19和第二连接板21可转动连接，使腰部装置2具有X、Y、Z三个方向的转动和三个方向的移动。

下端气缸15上下两端在与第二连接件14和第一连接板19可转动连接过程中，又分别同时连接上连接杆16和下连接杆17，每个下端气缸15端部的万向节公头24通过十字架23同时与第一万向节母头22，第二万向节母头25连接，第一万向节母头22，第二万向节母头25连接，为同轴连接。上连接杆16和下连接杆17的端部分别设置第一万向节母头22，第一万向节母头22连接十字架23，十字架23分别连接万向节公头24和第二万向节母头25，第二万向节母头25固定在下端气缸15的端部。第一万向节母头22分别同上连接杆16和下连接杆17固定连接。

第二连接板21与第一固定支撑板26固定连接。第一气动肌肉27一端驱动第二固定支撑板28，第二气动肌肉29一端驱动第二固定支撑板28，驱动第二固定支撑板28在X、Y、Z三个方向上的转动和移动。第三气动肌肉31设置在第一固定支撑板26和第三固定支撑板30之间，驱动第三气动肌肉31，使第三固定支撑板30在X、Y、Z三个方向上的转动和移动。

由计算机35作为上位机通过通信分别控制上肢控制装置32，腰部控制装置33和下肢控制装置34，发出的指令用于分别控制上肢控制装置32，腰部控制装置33和下肢控制装置34的气动阀，实现动作，气动阀可以为气动比例压力阀或者气动高速开关阀。

通过控制各关节的气缸和气动肌肉，可以实现机器人关节和整***姿的控制，可以实现复杂地形的运动、大负载越障、排爆等工作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动关节机器人无法比拟的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，包括：

下肢装置(1)，所述下肢装置(1)连接腰部装置(2)，所述腰部装置(2)连接上肢装置(3)；

所述下肢装置(1)的第一横向气缸(4)通过第二横向气缸(5)连接第三横向气缸(6)，所述第一横向气缸(4)，第二横向气缸(5)和第三横向气缸(6)两两相互垂直；所述第二横向气缸(5)通过第一连接件(13)连接相互平行的第二纵向气缸(8)和第五纵向气缸(11)，所述第二纵向气缸(8)两端分别垂直连接第一纵向气缸(7)和第三纵向气缸(9)，所述第五纵向气缸(11)两端分别垂直连接第四纵向气缸(10)和第六纵向气缸(12)；

所述第一连接件(13)固定腰部装置(2)的第二连接件(14)，所述第二连接件(14)上可转动连接至少三个下端气缸(15)，所述下端气缸(15)的上端可转动连接到第一连接板(19)上，所述下端气缸(15)的上端通过上连接杆(16)可转动连接到中间连接件(18)的上部，所述下端气缸(15)的下端通过下连接杆(17)可转动连接到中间连接件(18)的下部，所述第一连接板(19)的上部设置至少三个可转动连接点，每个可转动连接点可转动连接两个连接气缸(20)，相邻的连接气缸(20)上端相互可转动连接后连接到第二连接板(21)；

所述第二连接板(21)固定到上肢装置(3)的第一固定支撑板(26)，所述第一固定支撑板(26)可转动连接至少三个第一气动肌肉(27)后，可转动连接到第二固定支撑板(28)，所述第二固定支撑板(28)可转动连接至少三个第二气动肌肉(29)后，可转动连接到第三固定支撑板(30)，所述第一固定支撑板(26)和第三固定支撑板(30)之间可转动连接第三气动肌肉(31)；

所述上连接杆(16)和下连接杆(17)端部分别设置第一万向节母头(22)，所述第一万向节母头(22)连接十字架(23)，所述十字架(23)分别连接万向节公头(24)和第二万向节母头(25)，所述第二万向节母头(25)固定在下端气缸(15)的端部；

所述第一连接件(13)的两端分别固定第二纵向气缸(8)和第五纵向气缸(11)，底部套在第二横向气缸(5)上，上部固定第二连接件(14)；

所述第一气动肌肉(27)为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板(26)和第二固定支撑板(28)上，所述第二气动肌肉(29)为三个，均匀或不均匀分布在第二固定支撑板(28)和第三固定支撑板(30)上，所述第三气动肌肉(31)为三个，均匀或不均匀分布在第一固定支撑板(26)和第三固定支撑板(30)上；

所述第一横向气缸(4)，第二横向气缸(5)，第三横向气缸(6)，第一纵向气缸(7)，第二纵向气缸(8)，第三纵向气缸(9)，第四纵向气缸(10)第五纵向气缸(11)和第六纵向气缸(12)分别连接气动阀，组成上肢控制装置(32)，所述下端气缸(15)和连接气缸(20)分别连接气动阀，组成腰部控制装置(33)，所述第一气动肌肉(27)，第二气动肌肉(29)和第三气动肌肉(31)分别连接气动阀，组成下肢控制装置(34)，所述上肢控制装置(32)，腰部控制装置(33)和下肢控制装置(34)分别连接计算机(35)。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，所述第二纵向气缸(8)和第五纵向气缸(11)处于水平位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，所述第二连接件(14)为圆环形，所述第一连接板(19)和第二连接板(21)为圆形板。

4.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，所述中间连接件(18)为圆柱形，位于第二连接件(14)和第一连接板(19)之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，所述第一固定支撑板(26)，第二固定支撑板(28)和第三固定支撑板(30)为圆形板状，所述第二固定支撑板(28)分别小于第一固定支撑板(26)和第三固定支撑板(30)的大小。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动的仿人机器人***，其特征在于，所述计算机(35)采用Modbus或CAN总线分别连接上肢控制装置(32)，腰部控制装置(33)和下肢控制装置(34)，所述气动阀为气动比例压力阀或者气动高速开关阀。

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