[发明专利]拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节。

背景技术

传统的转动关节一般采用定轴转动的设计，仿生特性不够突出。人和动物的关节在转动时有别于这种定轴转动方式，而是在肌肉及肌腱拉动下，促使关节间两软骨端面发生相对滑动。由于软骨端面的曲率比较复杂，因此人和动物关节的这种转动可看作是转轴位置在变化的一种转动方式，即变转轴转动。现有的关节驱动方式一般为电机驱动，这种驱动方式由于需要加装减速装置，使得机构复杂臃肿。同时关节在摆动过程中往往使得电机处于频繁加减速的运行状态，效率低下。另外，电机作为一种刚性驱动元件，导致电机驱动的关节的仿生性能欠佳。气动肌肉作为一种新型气动执行元件，充气后可以实现轴向收缩和径向膨胀，具有很强的生物肌肉特性，同时具有功率重量比高、响应速度快、成本低廉等优点，在机器人、仿生机械等领域中有着广泛的应用。

当前采用气动肌肉驱动的关节多为拮抗式和并联式。由于气动肌肉的收缩率有限，使得关节的摆角范围十分有限，且达不到人类和动物关节的仿生效果。经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献[申请号：201310460748.5]公开了一种气动肌肉驱动的变转轴仿生关节，包括筒身，筒身上侧固设有上法兰，筒身一侧穿设有第一柔性连杆组件，另一侧穿设有第二柔性连杆组件，筒身下侧穿设有第三柔性连杆组件，筒身内上侧设有弹性件，筒身内设有具有内凹侧边弧形的曲线边缘转盘，曲线边缘转盘上固连有下法兰。该设计具有很好的仿生特性，但是机构设计较复杂，在工作时曲线边缘转盘与弹性件为滑动摩擦，使得控制难度较大。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷与不足，提出了一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节。

为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：它包括第一上固定座、第二上固定座、下固定座、圆弧形齿条、限位块、关节座、第一轴销、第二轴销、关节轴、第一直齿轮、第二直齿轮、第一轴承、第二轴承、第一气动肌肉、第二气动肌肉、I型接头和关节支架。第一上固定座与第二上固定座之间设置有关节座，关节座的一端通过第一轴销与第一上固定座、第二上固定座相铰接，第一气动肌肉的一端固接有I型接头，且同样通过第一轴销与第一上固定座和第二上固定座相铰接。关节支架的一端通过关节轴与关节座相铰接，关节轴与关节座之间设置有第一轴承且关节轴与关节支架固接。第二气动肌肉的一端固接有I型接头且通过第二轴销与关节座的另一端相铰接，第一气动肌肉、第二气动肌肉以及关节支架的另一端均与下固定座固接。关节轴的两端分别固接有第一直齿轮，第二轴销的两端分别设置有第二直齿轮，第二直齿轮与第二轴销之间设置有第二轴承，第一直齿轮与第二直齿轮啮合。所述的第一上固定座和第二上固定座中部镂空，靠第二直齿轮左侧的镂空面为以第一轴销为圆心的圆弧面，且圆弧面上设置有若干内齿形成圆弧形齿条。圆弧形齿条的分度圆半径等于以第一轴销到第二轴销的距离与第二直齿轮分度圆半径之和，且圆弧形齿条与第二直齿轮啮合。在第一上固定座与第二上固定座之间以及关节座上方还设置有限位块。

本发明采用气动肌肉驱动，具有机构简单、节能以及柔顺性好等优点。关节在不同的转角下，关节轴的位置也在发生变化，其轨迹为一圆弧。气动肌肉拉动所实现的关节支架摆动效果与齿轮传动引起的关节座摆动效果叠加，增加了关节的摆角范围。对于膝关节来说，即实现了关节末端更高的离地高度，有利于完成越障、攀爬等动作。同时本发明很好的模拟了人类膝关节只能单侧摆动的特性，值得应用。

附图说明

图1是关节的前视图；

图2是关节的局部剖面图；

图3是关节的局部左视图；

图4是关节工作示意图。

图中，101、第一上固定座；102、第二上固定座；1a、圆弧形齿条；1b、限位块；2、关节座；301、第一轴销；302、第二轴销；4、关节轴；501、第一直齿轮；502、第二直齿轮；601、第一轴承；602、第二轴承；701、第一气动肌肉；702、第二气动肌肉；8、I型接头；9、关节支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。