基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块制造技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，具体涉及一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，旨在解决现有机器人柔顺性差、无法完成复杂且高精度的装配动作问题，本发明专利技术人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；伸缩单元包括导向装置、弹性部件；导向装置包括固定部和移动部；弹性部件和气动肌腱均与导向装置的移动部相连；拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件；本发明专利技术主动收缩时气动肌腱与驱动部件可以带动柔性连接件拉动导向装置的移动部移动，被动拉伸时弹性部件提供被动拉力，从而模拟出肌肉工作状态时的非线性特性，本发明专利技术的人工肌肉模块具有柔顺性，可使装配本发明专利技术的机器人实现复杂且高精度的装配动作。

Artificial Muscle Module Based on Nonlinear Characteristics of Muscle

The invention belongs to the technical field of robots, and specifically relates to an artificial muscle module based on the non-linear characteristics of muscles, aiming at solving the problems of poor flexibility, inability to complete complex and high-precision assembly actions of existing robots. The artificial muscle module of the invention comprises a body structure component, a tension unit, a telescopic unit and a pneumatic tendon; and the telescopic unit includes a guiding device and an elastic component. The guiding device includes a fixed part and a moving part; both elastic parts and pneumatic tendons are connected with the moving part of the guiding device; the tension unit includes driving parts and flexible connectors; the pneumatic tendons and driving parts of the invention can drive the moving part of the guiding device to move when the flexible connector is active contraction, and the elastic parts provide passive tension when the flexible connector is passive tension, thus simulating the muscle worker. The artificial muscle module of the invention has the non-linear characteristics in working state, and has the flexibility, so that the robot assembly of the invention can realize complex and high-precision assembly action.

【技术实现步骤摘要】
基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块
本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块。
技术介绍
在机器人技术飞速发展的今天，工业机器人已经很广泛地应用于工厂自动化流水生产中，尤其是通用机械臂，配合设计的末端执行器可以进行工件的简单抓取、分拣和安装。但是在一些复杂的装配环节，始终需要人来进行复杂的重复性装配工作。这种装配情况下，人相对于机器人来说，有着较高的柔顺性，可以利用人体肌肉的相互拮抗完成在低传感信息下的高精度装配。在仿生机器人领域，对于仿人机械臂的研究一直在开展。从简单模仿人体上肢的运动自由度到模仿人体上肢的肌肉排布，并通过控制算法模仿人类简单动作。不过现有的仿人机器人在模拟出人体肌肉的生物特性时，却无法提供装配时的柔顺性。在2003年，基于前人提出的数学模型，Thelen等人简化了肌肉的数学模型，采用主动收缩元件、被动弹簧和非线性弹簧组成复合模型。在测试中，发现随着肌肉激活信号的输入，肌肉长度与肌肉主动力呈非线性的关系；并且在肌肉处于拉伸状态的时候，肌肉也可以产生一定的被动力来维持当前的形变状态。有多对肌肉拮抗之后共同受力作用之后形成了人体的上臂肌肉群，人体上臂正是依赖于肌肉的非线性特性来主动发力与被动拉伸来完成复杂且高精度的装配动作，并且为上臂提供灵活的自由度和较高的柔顺性。基于此，本专利技术提出了一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有仿人机器人无法模拟肌肉的非线性特性为装配提供柔顺性的问题，本专利技术提供了一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，所述人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，所述导向装置的固定部固设于本体结构件，所述导向装置的移动部与所述弹性部件连接；所述弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；所述拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于所述本体结构，所述柔性连接件与所述导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；所述气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端。在一些优选实施例中，所述拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；所述离合装置设置于所述驱动电机和所述从动构件之间，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。在一些优选实施例中，所述从动构件为线轮，所述驱动电机可以驱动所述线轮转动以收/放所述柔性连接件。在一些优选实施例中，所述导向装置还包括装设于所述移动部的传感器，用于检测所述移动部位移量。在一些优选实施例中，所述导向装置的固定部为直线型导轨，所述导向装置的移动部为与所述直线型导轨配合的滑块，所述气动肌腱的一端与所述滑块固定连接。在一些优选实施例中，所述弹性部件为弹簧。在一些优选实施例中，上述人工肌肉模块还包括导轮组件，所述柔性连接件通过所述导轮组件与所述导向装置的移动部连接。在一些优选实施例中，所述导轮组件包括驱动导向模块、所述驱动导向模块包括第一导向轮组、第二导向轮组、导向轮固定结构件；所述第一导向轮组、第二导向轮组的转动面垂直设置。在一些优选实施例中，所述导轮组件还包括张紧机构，所述张紧机构包括第三导向轮组、弹性构件；所述弹性构件与第三导向轮组相配以维持柔性连接件张紧度。在一些优选实施例中，所述第一导向轮组、所述第二导向轮组和所述第三导向轮组中的导向轮均为深V轴承。本专利技术的有益效果：本专利技术很好的模拟了肌肉在工作时的非线性特性，在工作时可以调节主动力与长度的非线性关系。在使用时可以在更小范围的长度变化内输出更多的主动力，具有较强的负载能力的同时也保证柔顺性从而完成复杂且高精度的装配动作。本专利技术为安装它的运动机构提供了一定的柔顺性，在人工肌肉不主动工作时，它可以提供被动力，保证整体的柔顺性，并且气动肌腱拓宽了本专利技术人工肌肉模块的使用范围，降低了安装难度。本专利技术在拉紧单元中使用了离合装置，通过离合装置可以让驱动电机与从动构件即时分离，使得人工肌肉主动发力与被动拉伸可以随意切换。本专利技术利用动、定滑轮组配合构成的导轮组件，利用导向轮的排布改变柔性连接件的传动方向，节省了整体装置的尺寸和安装空间；使得柔性连接件始终处于张紧状态，时刻保持受力。本专利技术在导向装置处安装了位移传感器，使得本专利技术人工肌肉在主动收缩和被动拉伸状态切换时，可以实时反馈拉线的长度变化，将整个人工肌肉的长度变化构成闭环，可实现对整个人工肌肉的控制。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本专利技术的人工肌肉模块的整体结构装配示意图一；图2是本专利技术的人工肌肉模块的整体结构爆炸示意图二；图3是本专利技术的驱动部件的结构装配示意图一；图4是本专利技术的驱动部件的结构爆炸示意图二；图5是本专利技术的驱动导向模块结构示意图；图6是本专利技术的张紧机构结构示意图；附图标记列表：1-本体结构件；2-驱动部件，201-驱动电机，202-电机轴承座，203-电磁离合器，204-传动轴，205-线轮，206-固定轴承座，207-轴承；3-柔性连接件；4-弹性部件；5-驱动导向模块，501-深V轴承，502-前导向轮固定座，503-后导向轮固定座，504-锥形垫片；6-张紧机构，601-深V轴承，602-锥形垫片，603-张紧滑动件，605-张紧弹簧，606-垫片，607-螺母，608-螺杆；7-滑动线绳固定座；8-位移传感器；9-滑块；10-导轨；11-气动肌腱；12-滑动固定座；13-M8螺栓；14-端点固定座。具体实施方式为使本专利技术的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。本专利技术的一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，导向装置的固定部固设于本体结构件，导向装置的移动部与弹性部件连接；弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于本体结构件，所述柔性连接件与导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端，至此气动肌腱与驱动电机通过线驱动的方式连接并构成移动副，并利用传感器实时测量位移，形成闭环反馈。人工肌肉模块主动收缩时，线驱动移动副为人工肌肉模块提供驱动力及闭环反馈，人工肌肉模块受被动拉伸时，弹性部件为人工肌肉模块提供被动力。本专利技术的一些实施例中，拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；离合装置设置于驱动电机和从动构件之间，本实施例中离合装置选用电磁离合器，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。从动构件选为线轮，驱动电机可以驱动线轮转动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，其特征在于，所述人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，所述导向装置的固定部固设于所述本体结构件，所述导向装置的移动部与所述弹性部件连接；所述弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；所述拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于所述本体结构件，所述柔性连接件与所述导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；所述气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端。

【技术特征摘要】
1.一种基于肌肉非线性特性的人工肌肉模块，其特征在于，所述人工肌肉模块包括本体结构件、拉紧单元、伸缩单元、气动肌腱；所述伸缩单元包括导向装置、弹性部件；所述导向装置包括固定部和移动部，所述导向装置的固定部固设于所述本体结构件，所述导向装置的移动部与所述弹性部件连接；所述弹性部件依据所述导向装置的移动部的位置为其提供被动的拉力或推力；所述拉紧单元包括驱动部件、柔性连接件，所述驱动部件固设于所述本体结构件，所述柔性连接件与所述导向装置的移动部连接，通过所述驱动部件可以带动所述柔性连接件拉动所述导向装置的移动部移动，使所述弹性部件处于压缩状态；所述气动肌腱装设于所述导向装置的移动部远离所述弹性部件一端。2.根据权利要求1所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述拉紧单元的驱动部件包括驱动电机、离合装置、从动构件；所述离合装置设置于所述驱动电机和所述从动构件之间，用于建立或切离所述驱动电机和所述从动构件的传动关系。3.根据权利要求2所述的人工肌肉模块，其特征在于，所述从动构件为线轮，所述驱动电机可以驱动所述线轮转动以收/放所述柔性连接件。4.根据权利要求1所述的人工肌肉模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛星宇，付航，乔红，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11