氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械技術領域，具體涉及一種可作為機器人頸部、肩部或腕部關節(jié)的氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)。
【背景技術】
[0002]氣動人工肌肉是一種新型的驅動器，它揉合了氣壓驅動和人工肌肉驅動各自的優(yōu)點。氣壓驅動的優(yōu)點是清潔無污染、安裝簡便，同時由于其可壓縮性，使得末端執(zhí)行器在抓取或者卡緊物體時有自然順應性，能夠防止受力過大而對被抓物體或末端執(zhí)行器本身造成破壞。人工肌肉作為新型的驅動裝置，它是一種體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單、容易控制的仿生學產品，具有非常高的功率/重量比和非常好的自然柔順性，上述這些特點使得人工肌肉在機器人領域得到了越來越廣泛的應用。
[0003]仿人機器人是機器人技術研宄領域的熱點，機器人的驅動關節(jié)多為一或二個自由度的轉動關節(jié)。模擬人類的三自由度關節(jié)，如:肩、頸關節(jié)等，一般是由2自由度關節(jié)再串聯(lián)一個自由度構成，或者采用并聯(lián)機構實現(xiàn)三自由度的轉動。這樣構成的三自由關節(jié)有的體積大而工作空間相對較小，有的關節(jié)三個自由度的運動坐標系原點并不在同一點上，與真實的人類三自由度關節(jié)運動形態(tài)相比有明顯區(qū)別，仿真程度不高。
[0004]目前，由人工肌肉驅動的仿人運動關節(jié)，一般為一或二個自由度，沒有集成在一個模塊的三自由度結構，而幾個自由度的串聯(lián)使用，會使整體關節(jié)體積很大，驅動器布置和桿件干涉也是關鍵因素。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種人工肌肉驅動的集成度較高的三自由度轉動關節(jié)，利用了氣壓驅動和人工肌肉驅動各自的優(yōu)點，通過虎克鉸和轉向輪的設計，實現(xiàn)三個自由度正交，即三個方向的轉動軸互相垂直且運動坐標系原點重合，簡化了其運動學方程，提高控制速度，增強關節(jié)靈活性，擴大關節(jié)工作空間。
[0006]本發(fā)明采用的技術方案為:一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，包括由X軸支架、Y軸支架和十字軸組成的虎克鉸機構，十字軸上的四個軸肩分別穿過X軸支架和Y軸支架側壁上的圓孔，在X軸支架和Y軸支架的側壁兩側旁分別設有兩個人工肌肉，人工肌肉的一端固定在支架上，另一端連接傳動繩并嵌套在十字軸的軸肩上；在Y軸支架的頂部還設有Z軸支架，在Z軸支架上設有轉向機構，Z軸支架的頂部設有末端執(zhí)行器，在轉向機構的一側設有Z軸人工肌肉，Z軸人工肌肉一端通過螺螺母與Y軸支架相連，另一端連接Z軸傳動繩，Z軸傳動繩通過轉向機構垂直嵌套在末端執(zhí)行器上。
[0007]進一步，所述的人工肌肉的一端通過螺母連接在各個支架上，另一端與傳動繩之間通過螺母連接。
[0008]進一步，所述的十字軸與X軸支架、Y軸支架之間通過滾珠軸承連接，所述的Z軸支架和末端執(zhí)行器通過圓錐滾子軸承連接。
[0009]進一步，所述的轉向機構包括轉向輪支架和通過轉向輪螺釘連接固定的轉向輪。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:模塊化的末端執(zhí)行器可以根據關節(jié)不同的應用環(huán)境換成不同的器件，支架上的氣動人工肌肉的體積小巧、柔軟、重量輕，工作簡單易控制。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的運動坐標系；
圖2為本發(fā)明的結構示意圖；
圖3為本發(fā)明中Z軸支架的剖視圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0013]如圖1所示，由本發(fā)明中關節(jié)的三個方向的轉動軸兩兩相互垂直，并且通過一個坐標原點，實現(xiàn)了正交。以十字軸的中心為坐標原點0，在關節(jié)中建立一個運動坐標系0-ΧΥΖ，并且原點O與固定坐標系的原點重合，以底部支架的轉動軸為軸線建立X軸，以上部支架的轉動軸為軸線建立Y軸，末端執(zhí)行器的轉動軸為軸線建立Z軸，就可對該關節(jié)進行簡單的運動學分析。
[0014]如圖2所示，一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，主要由一個U型的X軸支架6和一個U型的Y軸支架9以及一個十字軸4組成，兩個U型的支架相互交錯，十字軸4上的四個軸肩分別穿過X軸支架6和Y軸支架9側壁上的圓孔，在圓孔與十字軸4的軸肩之間通過滾珠軸承5連接，使該機構能夠在X軸和Y軸方向上轉動。在X軸支架6和Y軸支架9的側壁兩側旁分別設有兩組人工肌肉7，人工肌肉7的一端通過螺母3固定在支架上，另一端通過螺母3連接傳動繩8并纏繞在十字軸4的軸肩上相應的槽內；在Y軸支架9的頂部還設有Z軸支架10，在Z軸支架10上設有末端執(zhí)行器11和轉向機構。
[0015]如圖3所示，該轉向機構包括在末端執(zhí)行器11 一側的兩轉向輪I和轉向輪支架
12。轉向輪支架12上的轉向輪I通過轉向輪螺釘2固定，末端執(zhí)行器11與Z軸支架10之間通過圓錐滾子軸承13連接。在轉向輪支架12的下方設有兩個人工肌肉7，人工肌肉7上方連接的傳動繩8通過轉向輪支架12上的轉向輪I嵌套在末端執(zhí)行器11上，使末端執(zhí)行器11能夠在Z軸方向上轉動。
[0016]在本發(fā)明中，氣動人工肌肉由可膨脹的橡皮管外包強力的塑料網構成，其兩端用連接件螺母固定，由壓縮空氣驅動作推拉動作，實現(xiàn)模仿人類肌肉的伸縮運動。當對氣動人工肌肉充氣時，橡皮管產生彈性變形，于是壓迫外部強力的塑料編織網，編織網的剛度較大，于是就限制了氣動人工肌肉只能直徑變大，長度變短。反之，當對人工肌肉放氣時，橡皮管彈性回縮，直徑變小，長度變長。
[0017]本發(fā)明具有正交的三個自由度，連續(xù)工作空間大，并可以根據關節(jié)不同的應用環(huán)境將末端執(zhí)行器換成不同的器件，應用范圍廣泛。關節(jié)的運動通過氣動的人工肌肉進行驅動，人工肌肉體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單易控制。
【主權項】
1.一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，其特征在于:包括由X軸支架、Y軸支架和十字軸組成的虎克鉸機構，十字軸上的四個軸肩分別穿過X軸支架和Y軸支架側壁上的圓孔，在X軸支架和Y軸支架的側壁兩側旁分別設有兩個人工肌肉，人工肌肉的一端固定在支架上，另一端連接傳動繩并嵌套在十字軸的軸肩上；在Y軸支架的頂部還設有Z軸支架，在Z軸支架上設有轉向機構，Z軸支架的頂部設有末端執(zhí)行器，在轉向機構的一側設有Z軸人工肌肉，Z軸人工肌肉一端通過螺螺母與Y軸支架相連，另一端連接Z軸傳動繩，Z軸傳動繩通過轉向機構垂直嵌套在末端執(zhí)行器上。
2.根據權利要求1所述的一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，其特征在于:所述的人工肌肉的一端通過螺母連接在各個支架上，另一端與傳動繩之間通過螺母連接。
3.根據權利要求1所述的一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，其特征在于:所述的十字軸與X軸支架、Y軸支架之間通過滾珠軸承連接，所述的Z軸支架和末端執(zhí)行器通過圓錐滾子軸承連接。
4.根據權利要求1所述的一種氣動人工肌肉驅動的正交三自由度關節(jié)，其特征在于:所述的轉向機構包括轉向輪支架和通過轉向輪螺釘連接固定的轉向輪。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種人工肌肉驅動的集成度較高的三自由度轉動關節(jié)，包括由X軸支架、Y軸支架和十字軸組成的虎克鉸機構，以及在Y軸支架的頂部設有Z軸支架，在Z軸支架上設有轉向機構，Z軸支架的頂部設有末端執(zhí)行器，在轉向機構、X軸支架和Y軸支架的一側設有人工肌肉，人工肌肉一端通過螺螺母與支架相連，另一端連接傳動繩，傳動繩通過轉向機構垂直嵌套在末端執(zhí)行器以及十字軸的軸肩上。本發(fā)明實現(xiàn)三個自由度正交，簡化了其運動學方程，提高控制速度，增強關節(jié)靈活性，擴大關節(jié)工作空間。
【IPC分類】B25J17-00
【公開號】CN104760054
【申請?zhí)枴緾N201510165754
【發(fā)明人】運紅麗, 宋小娜, 粘松鴿, 王欣欣
【申請人】華北水利水電大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月10日