一種基于氣動肌肉仿人下肢的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于氣動肌肉仿人下肢系統，以氣動肌肉模擬人的肌肉驅動髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腳趾的運動，具有完全模擬人的下肢運動的功能。所述的仿人下肢主要由骨盆、股骨、腓骨、腳底板、腳趾、球鉸、氣動肌肉以及氣動肌肉固定板組成。模擬臀大肌、內收肌、髂腰肌、閉孔內肌、梨狀肌等作用的氣動肌肉驅動髖關節(jié)繞垂直軸、矢狀軸、冠狀軸的旋轉；股直肌、大腿后側肌群、股薄肌、股二頭肌驅動膝關節(jié)繞垂直軸、冠狀軸的旋轉；小腿三頭肌、前群肌、外側群肌驅動踝關節(jié)繞矢狀軸、冠狀軸的旋轉；拇長屈肌、拇長伸肌、趾長屈肌、趾長伸肌驅動五個腳趾屈和伸。本發(fā)明以氣動肌肉驅動，具有結構緊湊、清潔、防爆性能好的特點，可用于教學和演示。
【專利說明】—種基于氣動肌肉仿人下肢
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機器人【技術領域】，涉及一種模擬人的下肢結構和控制系統。
【背景技術】
[0002]人的下肢能夠適應各種路況，其具有別的地面推進方式所具有的是優(yōu)越性，因此作為機器人研究的一個重要方向。
[0003]雖然目前研究電機驅動仿人下肢機器人已經很成熟，但是考慮到氣動肌肉具有很高的功率/質量比、其位置控制僅受壓力單個因素影響，以及類似于人類肌肉的柔順性等優(yōu)點。特別是膝關節(jié)由一個電機驅動，完全不能夠模擬人體下肢真實的運動機理，同時研究人的下肢的行走機理，可以更好的開發(fā)相應的產品以滿足社會和市場的需要，如外骨骼仿人下肢可以很好的應用于幫助下肢癱患者行走和相應的下肢疾病患者鍛煉下肢。雖然目前已經研究了一些關于氣動肌肉仿人機器人和氣動肌肉外骨骼的裝置和設備，但是大部分局限于一組對拉氣動肌肉驅動或者兩組四根氣動肌肉對拉的形式，僅僅可以實現簡單的動作，不能夠實現系統空間多個方向姿態(tài)的控制。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述現有的技術缺陷，提供了一種基于氣動肌肉仿人下肢，本發(fā)明結構緊湊，干凈、防爆等。
[0005]為了實現上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是:一種基于氣動肌肉仿人下肢系統，它包括:股二頭肌、梨狀肌、大腿后側肌群、臀大肌、骨盆、髂腰肌、閉孔內肌、內收肌、股骨、股薄肌、股直肌、驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板、驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板、趾長屈肌、拇長屈肌、小腿三頭肌、腓骨、腳底板、趾長伸肌、外側群肌、前群肌、拇長伸肌、大腳趾、小腳趾、驅動腳趾導向軸、氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓、M12螺帽、固定鋼絲繩螺栓、空氣組合元件、壓力表、氣動高速開關閥、拉線式編碼器、數據采集卡、計算機、PWM波形發(fā)生器FPGA板卡、隔離與放大電路。其中，骨盆固定在臺架上，股骨通過桿端關節(jié)軸承與骨盆相連，另一端通過螺紋連接的方式與髖關節(jié)氣動肌肉固定板相連，臀大肌、內收肌(恥骨肌、長收肌、短收肌)、髂腰肌、閉孔內肌、梨狀肌一端通過鋼絲繩與骨盆相連，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板相連；臀大肌和內收肌(恥骨肌、長收肌、短收肌)分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板內、外驅動髖關節(jié)繞矢狀軸的旋轉，髂腰肌連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板前驅動髖關節(jié)繞冠狀軸旋轉，閉孔內肌和梨狀肌分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板前、后驅動髖關節(jié)繞垂直軸旋轉。驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板通過桿端關節(jié)軸承一端與股骨相連，另一端通過螺紋與腓骨相連，股直肌、大腿后側肌群(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌、股二頭肌一端通過鋼絲繩與骨盆相連，另一端通過鋼絲繩與驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板相連；股直肌和大腿后側肌群(主要包括半腱肌和半膜肌)分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板前后驅動膝關節(jié)繞冠狀軸旋轉，股薄肌和股二頭肌分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板前后驅動膝關節(jié)繞垂直軸旋轉。小腿三頭肌、前群肌(脛骨前肌、拇長伸肌、趾長伸肌)、外側群肌(腓骨長肌、腓骨短肌)一端通過螺帽連接于驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板，另一端通過鋼絲繩與腳底板相連，小腿三頭肌、前群肌(脛骨前肌、拇長伸肌、趾長伸肌)、外側群肌圓周上均勻分布在驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板上，實現驅動踝關節(jié)繞矢狀軸和冠狀軸旋轉。拇長屈肌、拇長伸肌、趾長屈肌、趾長伸肌一端通過螺帽連接于驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板，另一端通過鋼絲繩經驅動腳趾導向軸與大腳趾和小腳趾相連；拇長屈肌和拇長伸肌驅動大腳趾屈伸，趾長屈肌和趾長伸肌驅動小腳趾屈伸。
[0006]進一步地，所述氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓一端與股二頭肌連接，實現鋼絲繩與股二頭肌的連接，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板連接，驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板一端與M12螺帽相連，另一端與固定鋼絲繩螺栓，實現了鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板的連接和驅動髖關節(jié)運動。
[0007]進一步地，所述空氣組合元件的出氣口連接8個氣動高速開關閥的進氣口，8個氣動高速開關閥的出氣口分別連接股直肌、大腿后側肌群(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌、股二頭肌的進氣口，空氣組合元件的出氣口設置壓力表，股直肌、大腿后側肌群(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌、股二頭肌的驅動線圈均與驅動與隔離與放大電路的輸出接口相連，隔離與放大電路的輸入接口與數據采集卡的DO接口相連，與大腿后側肌群(主要包括半腱肌和半膜肌)、股二頭肌同軸連接的2個拉線式編碼器與控制器的Α/D接口連接。數據采集卡與計算機相連。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明利用多根氣動肌肉驅動關節(jié)，可以同時實現關節(jié)多個方向的運動；
2.本發(fā)明利用氣動肌肉驅動具有較大的功率/質量比、較好的柔順性、結構緊湊等特
占.3.本發(fā)明髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腳趾分別具有3、2、2、1個自由度，可以形象地模擬人下肢可以實現的各種動作，有助于了解人體結構和人體下肢每根肌肉在下肢運動中的作用。`【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是仿人下肢大腿結構圖；
圖2是仿人下肢小腿結構圖；
圖3是氣動肌肉固定連接圖；
圖4是仿人下肢膝關節(jié)氣動控制系統原理圖；
圖5是驅動和放大電路原理圖；
圖中:股二頭肌1、梨狀肌2、大腿后側肌群3、臀大肌4、骨盆5、髂腰肌6、閉孔內肌7、內收肌8、股骨9、股薄肌10、股直肌11、驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12、驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13、趾長屈肌14、拇長屈肌15、小腿三頭肌16、腓骨17、腳底板18、趾長伸肌19、外側群肌20、前群肌21、拇長伸肌22、大腳趾23、小腳趾24、驅動腳趾導向軸25、氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓26、M12螺帽27、固定鋼絲繩螺栓28、空氣組合元件29、壓力表30、氣動高速開關閥31、拉線式編碼器32、數據采集卡33、計算機34、PWM波形發(fā)生器FPGA板卡35、隔離與放大電路36?！揪唧w實施方式】
[0010]如圖1、2所示，本發(fā)明基于氣動肌肉仿人下肢系統包括:股二頭肌1、梨狀肌2、大腿后側肌群3、臀大肌4、骨盆5、髂腰肌6、閉孔內肌7、內收肌8、股骨9、股薄肌10、股直肌
11、驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12、驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13、趾長屈肌14、拇長屈肌15、小腿三頭肌16、腓骨17、腳底板18、趾長伸肌19、外側群肌20、前群肌21、拇長伸肌22、大腳趾23、小腳趾24、驅動腳趾導向軸25、氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓26、M12螺帽27、固定鋼絲繩螺栓28、空氣組合元件29、壓力表30、氣動高速開關閥31、拉線式編碼器32、數據采集卡33、計算機34、PWM波形發(fā)生器FPGA板卡35、隔離與放大電路36。其中，骨盆5固定在臺架上，股骨9通過桿端關節(jié)軸承與骨盆相連，另一端通過螺紋連接的方式與髖關節(jié)氣動肌肉固定板12相連，臀大肌4、內收肌8 (恥骨肌、長收肌、短收肌)、髂腰肌6、閉孔內肌7、梨狀肌2 —端通過鋼絲繩與骨盆5相連，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12相連；臀大肌4和內收肌8 (恥骨肌、長收肌、短收肌)分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12內、外驅動髖關節(jié)繞矢狀軸的旋轉，髂腰肌6連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12前面驅動髖關節(jié)繞冠狀軸旋轉，閉孔內肌7和梨狀肌2分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12前、后驅動髖關節(jié)繞垂直軸旋轉。驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13通過桿端關節(jié)軸承一端與股骨9相連，另一端通過螺紋與腓骨相連，股直肌11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I 一端通過鋼絲繩與骨盆5相連，另一端通過鋼絲繩與驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13相連；股直肌11和大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13前后驅動膝關節(jié)繞冠狀軸旋轉，股薄肌10和股二頭肌I分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13前后驅動膝關節(jié)繞垂直軸旋轉。小腿三頭肌16、前群肌21 (脛骨前肌、拇長伸肌、趾長伸肌)、外側群肌20 (腓骨長肌、腓骨短肌)一端通過螺帽連接于驅 動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13，另一端通過鋼絲繩與腳底板18相連，小腿三頭肌16、前群肌21 (脛骨前肌、拇長伸肌、趾長伸肌)、外側群肌20圓周上均勻分布在驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13上，實現驅動踝關節(jié)繞矢狀軸和冠狀軸旋轉。拇長屈肌15、拇長伸肌22、趾長屈肌14、趾長伸肌19 一端通過螺帽連接于驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13，另一端通過鋼絲繩經驅動腳趾導向軸25與大腳趾23和小腳趾24相連；拇長屈肌15和拇長伸肌22驅動大腳趾屈伸，趾長屈肌14和趾長伸肌19驅動小腳趾屈伸。
[0011]以股二頭肌I為例說明氣動肌肉的固定和連接方式，如圖3所示，氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓26 —端與股二頭肌I連接，實現鋼絲繩與股二頭肌I的連接，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12連接，驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12 —端與M12螺帽27相連，另一端與固定鋼絲繩螺栓28，實現了鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12的連接和驅動髖關節(jié)運動。
[0012]以膝關節(jié)氣動控制為例說明基于氣動肌肉仿人下肢控制系統工作原理，如圖4所示，空氣組合元件29的出氣口連接8個氣動高速開關閥31的進氣口，8個氣動高速開關閥31的出氣口分別連接股直肌11、大腿后側肌群3(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I的進氣口，空氣組合元件8的出氣口設置壓力表9，股直肌11、大腿后側肌群3(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I的驅動線圈均與驅動與隔離與放大電路36的輸出接口相連，隔離與放大電路36的輸入接口與數據采集卡33的DO接口相連，與大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股二頭肌I同軸連接的2個拉線式編碼器32與控制器33的A/D接口連接。數據采集卡33與計算機34相連。
[0013]如圖5所示，驅動與放大電路13包括達林頓管U1、光藕管U2、四個MOS管M1-M4、四個二極管D1-D4和輸出端子U3，達林頓管Ul的信號輸入管腳連接控制器11的輸出接口，達林頓管Ul的信號輸出管腳連接光藕管U2的信號輸入管腳，光藕管U2的四個電壓輸出管腳均連接+12V電源的正極，光藕管U2的四個信號輸出接口分別連接四個MOS管M1-M4的柵極，四個MOS管M1-M4的漏極均連接+24V電源的負極，MOS管Ml的源極同時連接二極管Dl的正極和輸出端子U3的端子針腳2，M0S管M2的源極同時連接二極管D2的正極和輸出端子U3的端子針腳4，M0S管M3的源極同時連接二極管D3的正極和輸出端子U3的端子針腳6，M0S管M4的源極同時連接二極管D4的正極和輸出端子U3的端子針腳8，四個二極管D1-D4的負極均接+24V電源的正極，+24V電源的正極連接四個二極管D1-D4的輸出對應連接U3的端子針腳1、3、5、7。
[0014]隔離與放大電路36的兩端分別連接數據采集卡33和8個氣動高速開關閥31，根據計算機34的控制信號實現對氣動高速開關閥31的驅動。
[0015]本發(fā)明的工作過程如下:將空氣組合元件8的進氣口連接氣源，通過觀察壓力表
9調節(jié)空氣組合元件8出氣口的氣體壓力，打開計算機34和VC++編寫的控制程序，輸入需要控制的量，數據采集卡33輸出的模擬量經過隔離與放大電路36驅動氣動高速開關閥31以PWM占空比控制的形式給股直肌 11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I充氣，空氣進入股直肌11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌1，股直肌11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I開始收縮，驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板12由股直肌11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I充氣帶動人的髖關節(jié)開始運動，與此同時拉線式編碼器32測量到大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股二頭肌I的收縮量，反饋給控制器11，解算髖關節(jié)所處的位姿，數據采集卡33控制氣動高速開關閥31改變PWM的占空比，控制對股直肌11、大腿后側肌群3 (主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌10、股二頭肌I進行充氣或者放氣，以實現髖關節(jié)關節(jié)運動到預定的位姿。
[0016]本發(fā)明，通過控制各模擬人體肌肉的氣動肌肉，實現仿人下肢位姿的控制，可以動態(tài)形象的模擬人下肢的動作，并且可以實現精確的軌跡控制，本發(fā)明擁有其他氣動肌肉仿人下肢無法比擬的優(yōu)勢。
[0017]以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的【具體實施方式】中的一種，本領域的技術人員在本發(fā)明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于氣動肌肉仿人下肢系統，其特征在于，它包括:股二頭肌(I)、梨狀肌(2)、大腿后側肌群(3)、臀大肌(4)、骨盆(5)、髂腰肌(6)、閉孔內肌(7)、內收肌(8)、股骨(9)、股薄肌(10)、股直肌(11)、驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)、驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)、趾長屈肌(14)、拇長屈肌(15)、小腿三頭肌(16)、腓骨(17)、腳底板(18)、趾長伸肌(19)、外側群肌(20)、前群肌(21)、拇長伸肌(22)、大腳趾(23)、小腳趾(24)、驅動腳趾導向軸(25 )、氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓(26 )、M12螺帽(27 )、固定鋼絲繩螺栓(28 )、空氣組合元件(29)、壓力表(30)、氣動高速開關閥(31)、拉線式編碼器(32)、數據采集卡(33)、計算機(34)、PWM波形發(fā)生器FPGA板卡(35)和隔離與放大電路(36);其中，所述骨盆(5)固定在臺架上，股骨(9)通過桿端關節(jié)軸承與骨盆相連，另一端通過螺紋連接的方式與髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)相連，臀大肌(4)、內收肌(8)、髂腰肌(6)、閉孔內肌(7)、梨狀肌(2) —端通過鋼絲繩與骨盆(5)相連，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)相連；臀大肌(4)和內收肌(8)分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)內、外驅動髖關節(jié)繞矢狀軸的旋轉，髂腰肌(6)連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)前驅動髖關節(jié)繞冠狀軸旋轉，閉孔內肌(7)和梨狀肌(2)分別連接驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)前、后驅動髖關節(jié)繞垂直軸旋轉；驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)通過桿端關節(jié)軸承一端與股骨(9)相連，另一端通過螺紋與腓骨相連，股直肌(U)、大腿后側肌群(3)(主要包括半腱肌和半膜肌)、股薄肌(10)、股二頭肌(I) 一端通過鋼絲繩與骨盆(5)相連，另一端通過鋼絲繩與驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)相連；股直肌(11)和大腿后側肌群(3)分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板13前后驅動膝關節(jié)繞冠狀軸旋轉，股薄肌(10)和股二頭肌(I)分別連接驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)前后驅動膝關節(jié)繞垂直軸旋轉；小腿三頭肌(16)、前群肌(21)、外側群肌(20)—端通過螺帽連接于驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)，另一端通過鋼絲繩與腳底板(18)相連，小腿三頭肌(16)、前群肌(21)、外側群肌(20)圓周上均勻分布在驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板 (13)上，實現驅動踝關節(jié)繞矢狀軸和冠狀軸旋轉；拇長屈肌(15)、拇長伸肌(22)、趾長屈肌(14)、趾長伸肌(19)一端通過螺帽連接于驅動膝關節(jié)氣動肌肉固定板(13)，另一端通過鋼絲繩經驅動腳趾導向軸(25)與大腳趾(23)和小腳趾(24)相連；拇長屈肌(15)和拇長伸肌(22)驅動大腳趾屈伸，趾長屈肌(14)和趾長伸肌(19)驅動小腳趾屈伸。
2.根據權利要求1所述基于氣動肌肉仿人下肢系統，其特征在于，所述氣動肌肉末端固定鋼絲繩螺栓(26) —端與股二頭肌(I)連接，實現鋼絲繩與股二頭肌(I)的連接，另一端通過鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)連接，驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12) —端與M12螺帽(27)相連，另一端與固定鋼絲繩螺栓(28)，實現了鋼絲繩與驅動髖關節(jié)氣動肌肉固定板(12)的連接和驅動髖關節(jié)運動。
3.根據權利要求1所述基于氣動肌肉仿人下肢系統，其特征在于，所述空氣組合元件(29)的出氣口連接8個氣動高速開關閥(31)的進氣口，8個氣動高速開關閥(31)的出氣口分別連接股直肌(11)、大腿后側肌群(3)、股薄肌(10)、股二頭肌(I)的進氣口，空氣組合元件8的出氣口設置壓力表(9)，股直肌(11)、大腿后側肌群(3)、股薄肌(10)、股二頭肌(I)的驅動線圈均與驅動與隔離與放大電路(36)的輸出接口相連，隔離與放大電路(36)的輸入接口與數據采集卡(33)的DO接口相連，與大腿后側肌群(3)(主要包括半腱肌和半膜肌)、股二頭肌(I)同軸連接的2個拉線式編碼器(32 )與控制器(33 )的Α/D接口連接；數據采集卡(33)與計算機(34)相連。
【文檔編號】A61H1/02GK103816027SQ201410040899
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2014年1月28日
【發(fā)明者】姜飛龍, 陶國良, 劉昊, 趙勇, 李超 申請人:浙江大學