專利名稱：氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種仿人手臂，尤其是一種由氣動人工肌肉驅(qū)動的仿A^幾器人手
背景技術：
隨著機器人技術的日臻成熟，其應用領域不斷擴大。困擾仿人手臂M的一 大因素正是驅(qū)動器。關節(jié)間的旋轉(zhuǎn)運動^A們自然而然的想到用同樣輸出旋#^: 動的電機作為仿人手臂的動力源。基于電4W區(qū)動的思想勢必m^人手臂的機構設 計帶來巨大的困難，其尺寸大于人手、握持力小、機構復雜等。以生物肌肉運動 原理為藍圖而設計開發(fā)出來的驅(qū)動器一一氣動人工肌肉，以其簡單的設計、低廉
的成本、獨特的仿生性、很高的輸出力/重量比和良好的柔順性等特點近年;^機
器人領域得到了越來越廣泛的重視。氣動人工肌肉是迄今為止人類發(fā)明的一種最 接近于生物肌肉特性、性能價格比最高的驅(qū)動器之一。基于氣動人工肌肉設計的 仿人手臂結構緊湊、輸出力/重量比高、適合于柔順控制作業(yè)等。
世界各國研究工作者對仿人手臂的開發(fā)#^入了極大的熱情。
20世紀末，美國國家航空和宇航局利用國家基金研制用于國際空間站#^卜作 業(yè)的機器人宇航員，用于修理出故障的衛(wèi)星和空間站。太空機器人體態(tài)小巧，身 手敏捷，完全勝任在宇宙飛船上^f亍任務。機器人宇航員體形和真A^目仿，有著 結實的軀干和靈巧的NASA靈巧手和手臂。該手完4H^^A手的結構與動作，由l 個前臂、1個手腕和5個手指組成，共14個自由度(手腕2個自由度，拇指、食 指和中指各3個，無名指、小指和手掌各1個自由JO 。目前該手可以拿起一些常 用工具進行^作。兩架彩色立體成像照相機充作雙眼。為了防備空間射線和溫差 變化造成的傷害，它也穿上了宇柳l。在某些方面，機器人宇航員比AJ^靈巧， 它手腕的轉(zhuǎn)動幅度比我們大，擺*電動工具和繩索來得心應手。
麻省理工學院所研究的"科戈"(C0G)人形機器人，被作為人和人工智能等 領域的一個平臺。"科戈"由頭、軀干、胳膊^^雙手組成，它的臂必須^A類那樣 具有柔順性。"科戈"的第一條手臂以全新的方式工作，每個關節(jié)都有一個彈簧， 從而使"科戈"獲得了柔順性。
美國華盛頓大學還研制出一個具有智能的氣動軟臂機器人，具有6個自由度， 不僅可以作為月良務機器人^JD ，而且可以作為進一步開發(fā)智能機器人的平臺。
中國人口結構日趨老齡化，老齡人口正以每年3.2。/。的il^增長，到下世紀中葉，我國老齡人口將可能占到總?cè)丝诘乃姆种灰陨?，這對我國的經(jīng)濟騰飛和 社^^急定將帶來不可估量的影響，全社會要未雨綢繆，早做準備。護理機器人能 在一定程度內(nèi)代替人，為高齡老人喝水、送藥、進食等作一些護理工作，被科學
家公認為一種解決人口老齡^4i會問題的有效措施。從護理機器人的工作性質(zhì)來 看，護理機器人必須要具有服務化、人性化和親和力，這除了要求護理才成手臂 具有人手臂4大小外，還需要它具有充分的自由度和柔順性。因此，研制開發(fā) 仿人護理柔性才咸手臂狄決未來老齡^^土會問題的有效措施，具有廣闊的應用 前景。
根據(jù)上述可知作為機器人意向的執(zhí)行部件一機械手臂的結構組成的重要性， 它執(zhí)行的準確與否，有力與否除了驅(qū)動源的#^與控制非常關鍵"卜，枳械手臂 的結構組成也是非常關鍵的部件，為此設計出iiJiJ仿人手要求的仿A^a手臂的 結構乃當務之急。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術所述，本發(fā)明的目的在于提供一種用氣動人工肌肉驅(qū)動的仿人 手臂，利用其獨特的柔順操控技術使機器人的手臂具有人臂一樣的功能，使其具 有"一樣的肩關節(jié)，肘關節(jié)和腕關節(jié)，實現(xiàn)其肩關節(jié)的三個旋轉(zhuǎn)自由度，肘關 節(jié)的兩個旋轉(zhuǎn)自由度，腕關節(jié)的兩個i走轉(zhuǎn)自由度；結構的M形式A^用氣動人 工肌肉為驅(qū)動器通過鋼絲(或繩索)操控滑輪組或采用套管鋼絲的柔性操控實現(xiàn) 驅(qū)動動作。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的 一種氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂，主要由肩關節(jié)(1 )，肘關節(jié)(2), 腕關節(jié)U)，手臂支撐架(4),上臂(5),前臂(6)和柔索(7)組成，其中 由立板(40)、頂板(47)和底板(48)構成手臂支撐架(4),并與基座(49)固 定，在立板(40)的頂部固定有滑輪組支架(46 ),由頂軸(15 )，前支撐塊(11 )， 后支撐塊(12 ),頂盤(45 ),支柱(43 )，底盤(42 )和底盤轉(zhuǎn)軸(41)連接成為 一整體結構，并通過^4由#推力球軸承與頂板(47)和底板(48)相連接，繞 Z軸方向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動肩關節(jié)(1)繞Z軸轉(zhuǎn)動的氣動人工肌肉(44)直接固定在手 臂支撐架(4 )的底板(48 )上，與人工肌肉(44 )連接的鋼絲(Al)通過滑輪組 支架(46 )上的滑輪組(B4 )拖動頂軸(15 )和M轉(zhuǎn)軸(41)實現(xiàn)肩關節(jié)繞Z 軸方向的S走轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn)可ii-90。到90° ， 4支氣動人工肌肉(44)固定在 底盤(42 )上，與氣動人工肌肉(44 )連接的鋼絲(Al)帶動固定在前支撐塊(11) 和后支撐塊(12)上的兩組滑輪組(BO)拖動中軸(13)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)肩關節(jié)(1) 繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達-60。到120° ,與氣動人工肌肉(44)連接的鋼絲(All) 繞過(B1)， (B2)， (B3)滑IMa通過中軸(13)與小定向輪(B5)拖動前軸(14)
繞Y軸轉(zhuǎn)動，繞Y軸運動范圍是O。到180° ;肩連接塊(18)，上臂上盤(51)， 上臂下盤(54 ),上臂桿(53)和肘連接塊(23)連接成一M結構，并通it^連 接塊(18 )與肩關節(jié)(1)的肩連接塊(17)相連接，驅(qū)動肘關節(jié)(2 )和腕關節(jié) (3)動作的4^P氣動人工肌肉(52 )都設置于上臂下盤(M )和上臂上盤(51) 之間，并與上臂上盤(51)連接，驅(qū)動肘關節(jié)(2 ) X軸的兩支氣動人工肌肉(52 ) 連接的繩索(A2)穿過上臂下盤(54)直接帶動肘軸(21)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)X向的運 動，驅(qū)動肘關節(jié)(2) Y向的動作采用繩索(A2)直接穿過管套(A3)組成的M 鋼絲(A2)， (A3)與腕關節(jié)(3)連接，再通itJ^部(32)的掌關節(jié)(33)與手掌 (34 )連接，驅(qū)動腕關節(jié)(3 )的4根柔索(7 )穿過管套(A3 )組成的套管鋼絲 (A2), (A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上，實現(xiàn)腕關節(jié)(3)繞前臂(6 ) 的旋轉(zhuǎn)，可達-45°到45°和繞前臂(6 )末端的側(cè)向運動可達-45°到45° 。 由于采用了上述技術方案，4^發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果
1、 本發(fā)明總體結構可實現(xiàn)七個自由度的運動，肩關節(jié)有3個旋轉(zhuǎn)自由度， 可以實現(xiàn)上臂的旋轉(zhuǎn)、抬起和前伸的運動，肘關節(jié)有兩個^t轉(zhuǎn)自由度，可以實現(xiàn) 前臂的屈伸和旋轉(zhuǎn)動作，腕關節(jié)亦有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，可以實現(xiàn)手掌兩個軸向的 轉(zhuǎn)動。手臂運動空間大，結構簡單，可以減少手臂的質(zhì)量使其減小運動時的慣量， 4吏用維護修理簡易。
2、 本發(fā)明與氣動人工肌肉配^f吏用，輸出力大，且具有很強的柔順性。
3、 本發(fā)明在肩關節(jié)的驅(qū)動上采用滑輪組，肘關節(jié)采用套管鋼絲操控的方法 使得肌肉放置更加合理，從而使結構設計得非常緊湊。


圖1為本發(fā)明氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿^v手臂總體結構立體示意圖
圖2A為本發(fā)明肩部及其關節(jié)結構立體示意圖
圖2B為本發(fā)明肩關節(jié)結構放大的立體示意圖
圖2C為本發(fā)明圖2B的A-A剖視示意圖
圖3為本發(fā)明上臂及肘關節(jié)結構放大的立體示意圖
圖4為本發(fā)明前臂;5J晚關節(jié)結構i文大的立體示意圖
具體實施例方式
由圖1、圖2A、圖2B、圖2C、圖3和圖4示出， 一種氣動人工肌肉驅(qū)動的七 自由度仿人手臂，主要由肩關節(jié)l,肘關節(jié)2，腕關節(jié)3，手臂支撐架4，上臂5, 前臂6和柔索7組成，其中由立板40、頂板47和底板48構成手臂支撐架4， 并與基座49固定，在立板40的頂部固定有滑輪組支架46，由頂軸15，前支撐塊 11,后支撐塊12，頂盤45，支柱43, M 42和底盤轉(zhuǎn)軸41連接成為一M結 構，并通i^緣^推力球軸承與頂板47和底板48相連接，繞Z軸方向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動肩關節(jié)1繞Z軸轉(zhuǎn)動的氣動人工肌肉44直接固定在手臂支撐架4的底板48
和"轉(zhuǎn)軸41實ij^關節(jié)繞Z軸方向的旋"，^Z軸旋轉(zhuǎn)可:-90。到90。 ， 4 支氣動人工肌肉44固定在底盤42上，與氣動人工肌肉44連接的鋼絲Al帶動固 定在前支撐塊11和后支撐塊12上的兩組滑^^且BO拖動中軸13轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)肩關 節(jié)1繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達-60。到120。，與氣動人工肌肉44連接的鋼絲All繞 過B1， B2， B3滑輪組通過中軸13與小定向輪B5拖動前軸14繞Y軸轉(zhuǎn)動，繞Y 軸運動范圍是0°到180° ;肩連接塊18，上臂上盤51，上臂下盤54，上臂桿 53和肘連接塊23連接成一螯沐結構，并通過肩連接塊18與肩關節(jié)1的肩連接塊 17相連接，驅(qū)動肘關節(jié)2和腕關節(jié)3動作的^氣動人工肌肉52都設置于上臂 下盤54和上臂上盤51之間，并與上臂上盤51連接，驅(qū)動肘關節(jié)2X軸的兩支氣 動人工肌肉52連接的繩索A2穿過上臂下盤54直接帶動肘軸21旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)X向 的運動，驅(qū)動肘關節(jié)2Y向的動作采用繩索A2直接穿過管套A3組成的套管鋼絲 A2， A3與腕關節(jié)3連接，再通過腕部32的掌關節(jié)33與手掌34連接，驅(qū)動腕關 節(jié)3的4根柔索7穿過管套A3組成的套管鋼絲A2， A3分別附在腕部32和手掌 34上，實現(xiàn)腕關節(jié)3繞前臂6的旋轉(zhuǎn)，可達-45°到45°和繞前臂6末端的側(cè)向 運動可達-45。到45° 。
另知，從圖示的結構可以看出，本發(fā)明將肩關節(jié)的驅(qū)動部分;^jM區(qū)干中，這 樣可以減少手臂的質(zhì)量以減小運動時的慣量。肩關節(jié)的這種設計使得我們可以將 肘關節(jié)、腕關節(jié)、手部關節(jié)的驅(qū)動放在手臂上。這才ff吏得慣性越小，運動的狄 就可以趟一決，控制運動的力就可以越小。
采用套管鋼絲的操控技術，它的結構簡單，可以不用滑輪組能隨意改變方向， 這一技術來源于自行車的剎車系統(tǒng)。
從采用驅(qū)動源，傳感器，對結構中運動自由度和形態(tài)功能方面的分析和分解 自由度的結構總體設計方法是可行的，且易于結構的實現(xiàn)和操控，最終可以獲得 一輸出力大，操控柔順，結構簡單，重量輕，易于使用維護和修理的結構總體。
權利要求
1. 一種氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂，主要由肩關節(jié)(1)，肘關節(jié)(2)，腕關節(jié)(3)，手臂支撐架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)組成，其特征在于由立板(40)、頂板(47)和底板(48)構成手臂支撐架(4)，并與基座(49)固定，在立板(40)的頂部固定有滑輪組支架(46)，由頂軸(15)，前支撐塊(11)，后支撐塊(12)，頂盤(45)，支柱(43)，底盤(42)和底盤轉(zhuǎn)軸(41)連接成為一整體結構，并通過球軸承和推力球軸承與頂板(47)和底板(48)相連接，繞Z軸方向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動肩關節(jié)(1)繞Z軸轉(zhuǎn)動的氣動人工肌肉(44)直接固定在手臂支撐架(4)的底板(48)上，與人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)通過滑輪組支架(46)上的滑輪組(B4)拖動頂軸(15)和底盤轉(zhuǎn)軸(41)實現(xiàn)肩關節(jié)繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn)可達-90°到90°，4支氣動人工肌肉(44)固定在底盤(42)上，與氣動人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)帶動固定在前支撐塊(11)和后支撐塊(12)上的兩組滑輪組(B0)拖動中軸(13)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)肩關節(jié)(1)繞X向的旋轉(zhuǎn)，可達-60°到120°，與氣動人工肌肉(44)連接的鋼絲(A11)繞過(B1)，(B2)，(B3)滑輪組通過中軸(13)與小定向輪(B5)拖動前軸(14)繞Y軸轉(zhuǎn)動，繞Y軸運動范圍是0°到180°；肩連接塊(18)，上臂上盤(51)，上臂下盤(54)，上臂桿(53)和肘連接塊(23)連接成一整體結構，并通過肩連接塊(18)與肩關節(jié)(1)的肩連接塊(17)相連接，驅(qū)動肘關節(jié)(2)和腕關節(jié)(3)動作的全部氣動人工肌肉(52)都設置于上臂下盤(54)和上臂上盤(51)之間，并與上臂上盤(51)連接，驅(qū)動肘關節(jié)(2)X軸的兩支氣動人工肌肉(52)連接的繩索(A2)穿過上臂下盤(54)直接帶動肘軸(21)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)X向的運動，驅(qū)動肘關節(jié)(2)Y向的動作采用繩索(A2)直接穿過管套(A3)組成的套管鋼絲(A2)，(A3)與腕關節(jié)(3)連接，再通過腕部(32)的掌關節(jié)(33)與手掌(34)連接，驅(qū)動腕關節(jié)(3)的4根柔索(7)穿過管套(A3)組成的套管鋼絲(A2)，(A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上，實現(xiàn)腕關節(jié)(3)繞前臂(6)的旋轉(zhuǎn)，可達-45°到45°和繞前臂(6)末端的側(cè)向運動可達-45°到45°。
全文摘要
一種氣動人工肌肉驅(qū)動的七自由度仿人手臂，主要由肩關節(jié)(1)，肘關節(jié)(2)，腕關節(jié)(3)，手臂支撐架(4)，上臂(5)，前臂(6)和柔索(7)組成，其中手臂支撐架(4)與基座(49)固定，并在其中裝置氣動人工肌肉(44)，通過與氣動人工肌肉(44)連接的鋼絲(A1)通過滑輪組(B0)，(B1)，(B2)，(B3)，(B4)和(B5)實現(xiàn)X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動；驅(qū)動肘關節(jié)(2)和腕關節(jié)(3)動作的氣動人工肌肉(52)設置在上臂(5)中，通過與其連接的繩索(A2)直接操控肘軸(21)或通過套管鋼絲(A2，A3)分別附在腕部(32)和手掌(34)上實現(xiàn)了繞前臂(6)的旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運動。本發(fā)明輸出力大，操控柔順，結構簡單，重量輕，使用維護修理簡易。
文檔編號B25J18/00GK101204815SQ20071009805
公開日2008年6月25日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權日2007年4月27日
發(fā)明者彭光正, 王毅楓 申請人:北京理工大學