一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器制造技术

技术编号:19436363 阅读:133 留言:0更新日期:2018-11-14 13:07
本发明专利技术公开了一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,涉及机械工程技术领域,包含驱动舵机、仿生肌腱、转动关节和底座。所述驱动舵机与所述转动关节固定安装在所述底座上,所述驱动舵机通过所述仿生肌腱与所述转动关节连接。本发明专利技术提供了一种结构紧凑、操作简便,输出稳定,成本低廉的驱动器,实现了紧凑形式下的柔性旋转运动,在保证精度的情况下,实现了类似生物运动系统的双向柔性响应,能作为仿生机器人、工业机械手等的驱动装置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器
本专利技术涉及机械工程
,尤其涉及一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器。
技术介绍
通常,对于机器人,人们要求具有极高的位置控制精度,这就要求机器人具有很高的刚度,以获得足够宽的控制带宽,并减小位置上的误差。这就导致这类机器人,在力控制上不尽人意:一点较小的位置差异也会导致输出力的巨大变化。另一方面,通过对生物的认知,人们发现生物对于位置控制的精度并不高,在没有视觉、触觉的帮助下,很难控制肢体的精确位置。反而,在力控制上,生物表现出了非常强的适应能力。而两者本质上的差异,来源于驱动原理:大部分机器人采用电机驱动,传动元件如齿轮、连杆等均为刚性结构;动物大多采用肌肉驱动,是一种柔性的生物组织。在实现足式运动的过程中,人们逐渐意识到了柔性的重要性,在理解生物运动的原理基础上,利用仿生的方式设计制造出柔性且可控的仿生驱动器,也在机器人实现类动物运动中起到越来越重要的作用。在动物的运动系统中,骨骼肌是驱动器,它由肌腹以及肌腱两部分组成,肌腹由肌纤维构成,具有收缩能力,而肌腱则是一种致密的芥蒂组织,仅起到牵引连接作用,没有主动收缩能力。肌肉的力学响应可以分为两部分,一种是在神经脉冲的作用下产生自主收缩对外输出力的主动响应,另一种则是在静息状态下的被动弹性响应。研究发现,生物肌肉表现出了准静态下的超弹性以及动态过程中的非线性的粘弹性效应。为了实现类似肌肉的动态响应,人们在传统电机上做出了很多发展。1995年,MIT的Pratt教授与Williamson著的“Serieselasticactuators[C]//InternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems.IEEEComputerSociety,1995”提出通过在电机与负载之间串接弹性单元形成串联弹性驱动器(SeriesElasticActuators,SEA)来提供柔性的控制以及力输出,使得电机与冲击荷载隔离,并通过弹性单元过滤背隙、转矩波动以及摩擦力的影响。这种驱动器具有较低的阻抗,精确的力输出,但是控制带宽相对较窄,机械结构以及电子控制相对更复杂。PriyanshuAgarwal和AshishD.Deshpande著的“SeriesElasticActuators(SEAs)forSmall-scaleRoboticApplications.JournalofMechanisms&Robotics,2017”利用拉索传动,并分别通过线弹簧和扭簧,实现了小尺度驱动器与关节分离的SEA,成功应用在人手的外骨骼上。DinoAccoto等人著的“pVEJ:Amodularpassiveviscoelasticjointforassistivewearablerobots[J].2012”在弹性单元上并联了利用液体粘性的可调阻尼元件,实现了小尺寸的串联粘弹性驱动,有效抑制了SEA的振动。ClarkDavenport等人著的“DesignandBiomechanicalAnalysisofSupernumeraryRoboticLimbs[C]//ASME2012,DynamicSystemsandControlConferenceJointwiththeJsme2012”则通过在电机和负载之间串联柱状聚氨酯同时实现弹性和阻尼,并成功应用在外骨骼机器人上取得了良好的人机交互效果,并将其称之为串联粘弹性驱动器(SeriesViscoelasticActuators,SVA)。以上所述驱动器,或缺乏阻尼响应,或体积及质量较大,难以进行小型化应用。因此,本专利技术致力于提供一种结构紧凑的驱动装置,在保证精度的情况下,实现了类似生物运动系统的双向柔性响应。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷,本专利技术所要解决的问题是提供一种结构紧凑的驱动装置,在保证精度的情况下,实现了类似生物运动系统的双向柔性响应。为实现上述目的,本专利技术提供了一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,包含驱动舵机、仿生肌腱、转动关节和底座。所述驱动舵机与所述转动关节固定安装在所述底座上,所述驱动舵机通过所述仿生肌腱与所述转动关节连接。进一步地,所述驱动舵机还包括舵机固定件,所述驱动舵机通过所述舵机固定件安装在所述底座上。进一步地,所述舵机固定件采用螺栓与所述底座固定连接。进一步地,所述仿生肌腱为粘弹性聚合物材料。进一步地,所述仿生肌腱数量为2个。进一步地,所述转动关节还包括关节固定件和关节旋转件,所述转动关节通过所述关节固定件固定安装在所述底座上,所述关节旋转件安装在所述关节固定件上。进一步地,所述关节旋转件与所述关节固定件设置为可相对转动。进一步地,所述转动关节还包括电磁旋转编码器、编码器支座和磁铁支座,所述电磁旋转编码器和所述编码器支座安装在所述关节固定件上,所述磁铁支座安装在所述关节旋转件上。进一步地,所述电磁旋转编码器还包括磁铁,所述磁铁设置在所述磁铁支座中。进一步地,所述磁铁支座通过螺栓固定安装在所述关节旋转件上。本专利技术所提供的基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,实现了紧凑形式下的柔性旋转运动,在保证精度的情况下,实现了类似生物运动系统的双向柔性响应,能作为仿生机器人、工业机械手等的驱动装置。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体组成及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术一较佳实施例的三维图;图2是本专利技术一较佳实施例的三维分解图;图3是本专利技术一较佳实施例的传动示意图。附图标记说明1-伺服舵机,101-舵机固定件,102-第一肌腱固定件,103-第二肌腱固定件,2-仿生肌腱,3-转动关节,301-关节固定件,302-关节旋转件,303-电磁旋转编码器,304-编码器支座,305-磁铁支座,4-底座。具体实施方式下面实施例是对本专利技术做进一步地详细说明,实施例是在以本专利技术技术方案为前提下进行实施,给出了实施方式和操作过程,但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。如图1所示,本专利技术的一个较佳实施例中,提供了一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,包括驱动舵机1,仿生肌腱2,转动关节3和底座4。驱动舵机1与转动关节3固定安装在底座4上,且驱动舵机1通过仿生肌腱2与转动关节3串联连接。底座4为长方形横截面的柱状构件,柱状构件四面均开设有凹槽,且其上所设凹槽间距相等。如图2所示,驱动舵机1通过舵机固定件101固定安装在底座4上。舵机固定件101采用螺栓方式与底座4固定连接。驱动舵机1为伺服舵机。第一肌腱固定件102为一对两端设有凹槽的片状构件,一对片状构件分别通过轴承和螺栓固定在驱动舵机1的两侧。螺栓数量可根据需要任意设置,优选地,螺栓数量为4个。转动关节3包括非转动部分,转动部分以及旋转编码装置。非转动部分作为转动关节3的固定支撑基座,固定在底座4上,与驱动舵机1保持固定距离。此固定距离可根据需要任意调整,优选地,固定距离设置为人的肌腱长度,如取15cm。本实施例中,提供了一种转动关节3的结构形式,如图2中所示非转动部分为U型关节固定件301。转动部分作为转动关节3的活动支撑基座,与非转动部分相连,且两者可发生自由相对转动。本实施例中,提供了一种转动部分结构形式,如图2所本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,包含驱动舵机、仿生肌腱、转动关节和底座。所述驱动舵机与所述转动关节固定安装在所述底座上,所述驱动舵机通过所述仿生肌腱与所述转动关节连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,包含驱动舵机、仿生肌腱、转动关节和底座。所述驱动舵机与所述转动关节固定安装在所述底座上,所述驱动舵机通过所述仿生肌腱与所述转动关节连接。2.如权利要求1所述基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,所述驱动舵机还包括舵机固定件,所述驱动舵机通过所述舵机固定件安装在所述底座上。3.如权利要求2所述基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,所述舵机固定件采用螺栓与所述底座固定连接。4.如权利要求1所述基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,所述仿生肌腱为粘弹性聚合物材料。5.如权利要求1所述基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,所述仿生肌腱数量为2个。6.如权利要求1所述基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器,其特征在于,所述转...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈务军贾林睿敬忠良董鹏
申请(专利权)人:上海交通大学
类型:发明
国别省市:上海,31

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