一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术结构简单，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。

A joint device of robot driven by muscle stretching

【技术实现步骤摘要】
一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置
本技术涉及机器人
，具体而言涉及一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置。
技术介绍
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。因此，近年来人造肌肉关节驱动成为机器人研究新的方向，现有的人造肌肉是将管状导电塑料集束成仿肌肉复合软体，管内注入导电性高分子溶液，在电流的刺激下管内注入的导电性高分子溶液产生离子，导致管状软体伸缩，通过控制电流强弱调整离子数量，改变人造肌肉的伸缩性从而产生驱动力，但当需较大输出力时，需要更多的聚合物材料，同时要求有超高电压刺激。近期哈佛大学工程与应用科学学院以碳纳米管为基础开发人造肌肉，这种人造肌肉中碳纳米管作为一个电极，可根据肌肉的多层排列设计，在电场的作用下形成介电弹性体，当电场作用于上述软性材料时就会发生变形并产生驱动力，要将上述软性材料变形通常需要使用超高电压，但哈佛已经攻克了需要超高电压的难关，用新工艺制成的超薄碳纳米管充当介电弹性体，用常规电压就可使上述软性材料变形提供驱动力，为柔性机器人打开了实用性大门。目前人造肌肉研究作为机器人技术发展新方向，技术还有待成熟，性能还有待稳定，还存在成本高昂和难以驾驭的难题。人体运动是一个极为复杂的系统，生物学告诉我们人体共有206块骨骼，其中相当一部分是可动关节，其形成的骨骼系统与肌肉系统、神经组织共同完成人体运动，因此人体运动时涉及到的是多自由度运动，目前常见的电机驱动关节装置基本是单自由度驱动，为了获得一个自由度需要设置一个驱动装置，要获得多个自由度就需要设置多个驱动装置，当需要获得的自由度数目要求较大时，其成本、重量、体积和控制难度将成倍增加。因此，在单一关节驱动装置中设计关节可多方向多自由度的旋转和移动，可以降低成本，简化结构，减轻重量，降低控制难度，实现关节较多自由度的运动。目前还没有人涉及通过设计机械可伸缩结构在机械结构层面模仿人体肌肉伸缩机理产生驱动力直接驱动关节，这种从仿肌肉伸缩产生驱动力直接驱动关节的层面来设计关节驱动装置能简化关节装置结构、降低制造成本、有更好的动力/重量/体积比、易于柔性化和降低控制难度等优势，是一种机器人关节驱动装置的新结构。
技术实现思路
本技术的目的在于克服已有技术的不足，提供一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，该装置由伸缩驱动单元组件通过滑块沿滑块导轨嵌入驱动壳体中，驱动单元组件由折叠单元两两连接组成，可通过驱动源的导入导出对驱动单元进行仿肌肉伸缩来移动驱动传动连接件，并通过驱动传动连接件传递驱动力带动关节负载来改变机器的运动轨迹和构型，以达到完成机器人工作任务的目的。本技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，包括驱动壳体、伸缩驱动单元组件、关节主轴、关节壳体、驱动传动连接件；所述驱动壳体包括上驱动壳体、下驱动壳体，采用多面体框架结构，框架两侧设置有滑块导轨；所述伸缩驱动单元组件由伸缩驱动单元两两固接串联集成,伸缩驱动单元组件通过滑块沿所述滑块导轨嵌入驱动壳体；所述伸缩驱动单元由驱动囊、可伸缩驱动腔、驱动源导入导出阀口组成；所述驱动囊由囊支架和柔性密封囊组成，囊支架采用平面框架结构；所述可伸缩驱动腔由折叠单元组成，其折叠单元包括驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板、驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板；所述驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板采用矩形板状结构，所述驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板采用梯形板状结构；所述折叠单元分别采用如下两两连接成可伸缩驱动腔，其中：驱动腔前板下侧与驱动腔后板下侧，驱动腔前板左、右侧与驱动腔左前侧板、右前侧板前沿，驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是包括驱动壳体、伸缩驱动单元组件、关节主轴、关节壳体、驱动传动连接件；/n所述驱动壳体包括上、下驱动壳体，采用多面体框架结构，框架两侧设置有滑块导轨；/n所述伸缩驱动单元组件由伸缩驱动单元两两固接串联集成,伸缩驱动单元组件通过滑块沿所述滑块导轨嵌入驱动壳体；所述伸缩驱动单元由驱动囊、可伸缩驱动腔、驱动源导入导出阀口组成；所述驱动囊由囊支架和柔性密封囊组成，囊支架采用平面框架结构；所述可伸缩驱动腔由折叠单元组成，其折叠单元包括驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板、驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板；所述驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板采用矩形板状结构，所述驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板采用梯形板状结构；/n所述折叠单元分别采用如下两两连接成可伸缩驱动腔，其中：/n驱动腔前板下侧与驱动腔后板下侧，驱动腔前板左、右侧与驱动腔左前侧板、右前侧板前沿，驱动腔前板上侧与驱动腔上前板前沿，驱动腔后板左、右侧与驱动腔左后侧板、右后侧板后沿，驱动腔后板上侧与驱动腔上后板后沿，驱动腔上前板后沿与驱动腔上后板前沿通过转动副连接；/n驱动腔左前侧板、驱动腔右前侧板后沿与驱动腔左后侧板、驱动腔右后侧板前沿通过圆柱套筒副连接；/n所述可伸缩驱动腔在伸张状态下是多边形立面体；/n驱动囊通过囊支架与驱动腔前板、驱动腔后板固接，内置于可伸缩驱动腔；柔性密封囊通过导管与驱动源导入导出阀口连接；/n所述关节主轴采用圆柱主轴或圆柱十字主轴结构；/n所述关节壳体由上关节壳体与下关节壳体组成；上关节壳体与所述圆柱主轴固接，下关节壳体与所述圆柱主轴通过转动副连接，或者上关节壳体、下关节壳体分别与所述圆柱十字主轴的二个主轴通过转动副连接；上关节壳体、下关节壳体分别设置有与所述驱动传动连接件连接的连接点，上关节壳体、下关节壳体的一端部分别与上驱动壳体、下驱动壳体的一端部固接；/n驱动传动连接件两端设置连接点，分别与上关节壳体、下关节壳体和上驱动壳体、下驱动壳体的伸缩驱动单元组件通过转动副或球接点或固接点连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是包括驱动壳体、伸缩驱动单元组件、关节主轴、关节壳体、驱动传动连接件；
所述驱动壳体包括上、下驱动壳体，采用多面体框架结构，框架两侧设置有滑块导轨；
所述伸缩驱动单元组件由伸缩驱动单元两两固接串联集成,伸缩驱动单元组件通过滑块沿所述滑块导轨嵌入驱动壳体；所述伸缩驱动单元由驱动囊、可伸缩驱动腔、驱动源导入导出阀口组成；所述驱动囊由囊支架和柔性密封囊组成，囊支架采用平面框架结构；所述可伸缩驱动腔由折叠单元组成，其折叠单元包括驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板、驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板；所述驱动腔前板、驱动腔后板、驱动腔上前板、驱动腔上后板采用矩形板状结构，所述驱动腔左前侧板、驱动腔左后侧板、驱动腔右前侧板、驱动腔右后侧板采用梯形板状结构；
所述折叠单元分别采用如下两两连接成可伸缩驱动腔，其中：
驱动腔前板下侧与驱动腔后板下侧，驱动腔前板左、右侧与驱动腔左前侧板、右前侧板前沿，驱动腔前板上侧与驱动腔上前板前沿，驱动腔后板左、右侧与驱动腔左后侧板、右后侧板后沿，驱动腔后板上侧与驱动腔上后板后沿，驱动腔上前板后沿与驱动腔上后板前沿通过转动副连接；
驱动腔左前侧板、驱动腔右前侧板后沿与驱动腔左后侧板、驱动腔右后侧板前沿通过圆柱套筒副连接；
所述可伸缩驱动腔在伸张状态下是多边形立面体；
驱动囊通过囊支架与驱动腔前板、驱动腔后板固接，内置于可伸缩驱动腔；柔性密封囊通过导管与驱动源导入导出阀口连接；
所述关节主轴采用圆柱主轴或圆柱十字主轴结构；
所述关节壳体由上关节壳体与下关节壳体组成；上关节壳体与所述圆柱主轴固接，下关节壳体与所述圆柱主轴通过转动副连接，或者上关节壳体、下关节壳体分别与所述圆柱十字主轴的二个主轴通过转动副连接；上关节壳体、下关节壳体分别设置有与所述驱动传动连接件连接的连接点，上关节壳体、下关节壳体的一端部分别与上驱动壳体、下驱动壳体的一端部固接；
驱动传动连接件两端设置连接点，分别与上关节壳体、下关节壳体和上驱动壳体、下驱动壳体的伸缩驱动单元组件通过转动副或球接点或固接点连接。


2.如权利要求1所述的一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是所述圆柱套筒副由圆柱体和两套筒组成，两套筒固设在一板块上，所述圆柱体的一端呈球状并插置在设于相应的另一板块上的铰支座的球状凹孔内，圆柱体的另一端插置在两套筒的通孔内，在两套筒之间的圆柱体上固设有限位环。


3.如权利要求1所述的一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是所述可伸缩驱动腔在伸张状态下其多边形立面体是五面体或是六面体或是十二面体，在收缩状态下组成可伸缩驱动腔的各折叠单元平行贴合。


4.如权利要求1所述的一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是所述驱动源是液压驱动源或是气压驱动源或是电磁感应驱动源。


5.如权利要求1所述的一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是所述驱动源导入导出阀口是一个导入导出阀口或是一个导入阀口和一个导出阀口，所述阀口是自动控制阀口。


6.一种仿肌肉伸缩驱动的机器人关节装置，其特征是包括驱动壳体、伸缩驱动单元组件、关节主轴、关节壳体、驱动传动连接件；
所述驱动壳体包括上、下驱动壳体，采用多面体框架结构，框架两侧设置有滑块导轨；
所述伸缩驱动单元组件由伸缩驱动单元和滑块串联集成，伸缩驱动单元组件通过滑块沿所述滑块导轨嵌入驱动壳体；所述伸缩驱动单元由驱动内胆、可伸缩驱动架组成；所述驱动内胆由一对电...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡杰，胡楚璇，胡浩峰，
申请(专利权)人：胡杰，
类型：新型
国别省市：广东;44