[实用新型]一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置

说明书

本实用新型公开了一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，由驱动壳体、伸缩驱动单元组件、关节主轴、关节壳体、驱动传动连接件构成。其中：伸缩驱动单元组件通过滑块沿滑块导轨嵌入驱动壳体中，并沿滑块导轨进行伸缩变形，所述组件由可伸缩变形的驱动单元串联构成，可伸缩变形的驱动单元由组成驱动腔的折叠单元两两连接生成，驱动腔内置驱动囊，通过驱动源导入导出而驱动伸缩单元进行仿肌肉伸缩变形，由驱动单元伸缩变形生成的驱动力通过驱动传动连接件的传递来驱动关节壳体绕关节主轴做关节屈伸和收展运动。本实用新型结构简单，伸缩变形精度易控制，人体仿生程度高，具有良好的节能性、稳定性，便于柔性化、小体积和易控制。

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体而言涉及一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人应用在制造领域已日益广泛，工业机器人已广泛应用于焊接、喷涂等各工序，在汽车、食品、金属加工等多行业代替工人做单调、重复的长时间工作，有效的实现了工厂无人化和操作自动化，成为制造业中不可缺少的重要装置和手段，其核心技术关节驱动装置也在不断更新，呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化、模块化和标准化的发展趋势。

目前机器人关节驱动装置，主要由控制器、伺服电机、减速机组成，被视为机器人三大核心零部件，占机器人成本的70％。机器人为了可靠的完成工作任务，对定位精度和重复定位精度的要求很高，因此需要配置高速、高精度、高可靠的伺服电机和传动链短、体积小、质量轻、功率大、易控制的减速机，对其零部件加工有复杂的制造工艺和制造精度要求，要有完备的高端制造业基础支撑才能生产出机器人精密的核心零部件，是机器人技术发展面临的挑战，已成为机器人产业发展的痛点，目前机器人技术发展离大规模、低成本、多领域的应用还有一段距离。

相对于制造领域，服务领域仿人机器人除了对环境适应性、环境感知、自主控制、人机交互等方面提出了更高的要求，还对关节驱动装置提出了更高的能量效率要求，要有更好的动力/重量/体积比，还要有柔性驱动，以满足仿人机器人依靠自身有限的能源来灵活步行和维持日常工作需要。

近年来仿人机器人的研发虽然取得了突出进展，但仍面临巨大挑战。由于其在经济建设中所具备的重大意义，仿人机器人关节驱动技术成为近年来机器人技术的研究热点和难点。电机、液压、气动等关节驱动方式相继应用于各种仿人机器人，研制样机不断推出。如本田公司研制的ASIMO机器人采用伺服电机驱动，波士顿动力公司研制的ATALAS机器人采用液压系统驱动，布鲁塞尔大学研制的LUCY机器人采用气压元件驱动。但由于电机驱动柔性较差、输出力矩相对较低，液压驱动控制复杂、质量较大，气动驱动精确度较低，受温湿度环境影响大，因此成熟的低成本的仿人机器人应用还不多见。

现在大部分仿人机器人关节驱动还是采用电机驱动，由控制器、伺服电机、减速机组成，具有刚性传动特点，虽有较好的运动精度，但抗冲击、稳定性、灵活性和环境适应性差，当机器人行走时与地面接触产生的冲击会传送到机器人各部件，尤其对精密的伺服电机、减速机、传感器会造成损伤。同时，冲击还会使动平衡受到影响，导致步行步态不稳定、不灵活，限制了步行速度和步态的连贯。为了克服电机驱动柔性较差的缺陷，麻省理工的研究人员在驱动端与负载之间串联一个弹簧，通过检测两者之间的转动角度，乘以弹簧弹性系数，得到施加到负载上的力，较好的实现了关节力矩控制和传递，同时增强了关节的抗冲击能力，提高了关节的柔性。这种串联弹性驱动关节在仿人机器人中得到了较多的应用，但由于在驱动端和负载之间串联的弹性体结构复杂，增加了关节重量和体积，加大了成本，提高了控制难度。

运动生物力学告诉我们，当人体正常步行时，通过足跟离地产生蹬地动作，推动身体向前，然后下肢摆动到身体前方、使人体重心移动、到再次足跟触地，完成一个步行周期。在此期间，人体下肢肌肉群通过收缩放松来改变肌肉长度产生肌力，并通过肌腱和韧带传递肌力引起下肢关节进行屈伸、收展等活动，从而达到完成步行任务的目的。这种人体在运动中表现出良好的节能性和稳定性已成为仿人机器人研究的目标，对生物结构和运动方式进行仿生已变成研究机器人系统的基本方法之一。