一种由柔性驱动器驱动的膝关节制造技术

一种由柔性驱动器驱动的膝关节属仿生机器人技术领域，本发明专利技术中仿生股骨和仿生胫骨上下排列，仿交叉韧带位于仿生股骨的仿生股骨髁和仿生胫骨的仿生胫骨髁之间，仿生股骨和仿生胫骨各有两对仿生肌肉对，仿生肌肉连接在仿生肌腱处并与固定环固定，本发明专利技术将超螺旋镀银尼龙纤维集成于一个驱动单元应用于膝关节，螺旋镀银尼龙纤维采用电热驱动收缩，可实现高响应、无滞后、易控的线性收缩，同时采用去离子水以及半导体制冷的快速制冷效果，能实现柔性驱动器的高频率驱动；本发明专利技术将螺旋镀银尼龙纤维、去离子水、半导体制冷设备集成在一个小型硅胶中，并采用磁流体密封设备对去离子水进行密封，能极好地将柔性驱动器运用到膝关节处。

【技术实现步骤摘要】
一种由柔性驱动器驱动的膝关节
本专利技术属仿生机器人
，具体涉及一种由柔性驱动器驱动的膝关节。
技术介绍
信息技术、新材料技术和生物技术被称为世纪的关键技术，随着人类社会进入21世纪，机器人已成为具有代表性的高技术研究课题。随着仿生技术的快速发展，仿生机器人获得了快速发展并在社会的多个领域被广泛应用。近年来，各个领域对机器人的承载能力强、稳定性好、结构简单、易于控制、智能化、创新性、安全性等提出了更高的要求。目前，机器人执行机构的驱动器主要采用液压缸、气缸、电机等，这使得机器人有着体积庞大、重量大、刚度高、结构复杂等特点，不适合与人的直接接触，在与人交互操作时，有可能对人造成伤害，尤其在康复医疗、服务等领域中，人们期待机器人拥有较好的柔性及安全性。因此，具有柔性的驱动器受到了广泛关注，成为了研究的重点。首先是电活性聚合物EAP致动器是众所周知的人造肌肉，主要由电能驱动。它主要分为干的和湿的。虽然EAP执行器表现出类似肌肉的特性，但干式执行器需要相对较高的电压才能执行。相反，湿式驱动器虽然驱动电压较低，但其驱动力太弱。气动人工肌肉最近几年引起了研究者的兴趣。它们是由网状或纤维增强的弹性管组成的。由于它们的驱动是利用压缩空气产生的，因此需要气室、泵和阀门等辅助部件。形状记忆合金是一种由热能驱动的致动器。它们在应变和受力方面表现出良好的性能，然而，驱动速度低、滞环大、控制困难是其主要缺点。近年来出现了一种新型的超螺旋聚合物人工肌肉，一种基于聚合物纤维(尼龙等)扭转后螺旋卷绕而成的新型人工肌肉，其迟滞小、寿命长、变形量大、能量密度高且成本低，在柔性驱动
具有广阔的应用前景。
技术实现思路
由镀银尼龙纤维复丝缠绕成的人工肌肉可以通过5HZ下电热驱动，在提升22Mpa负载下产生约10％的行程，但是目前这种肌肉没有一种很好的集成冷却方式来直接应用到机器人关节处，本专利技术设计了一种由柔性驱动器驱动的膝关节，主要提出了一种可以将半导体制冷结合水冷来对超螺旋聚合物的人工肌肉进行冷却的方法，这种制冷方式不像水冷那种需要水泵、水缸、水管等复杂的制冷结构，本专利技术首先用水冷来对电热驱动的仿生肌肉制冷，液态水集中密封在硅胶管中，然后采用半导体制冷方式对液态水进行制冷，可以做成小型集成的人工肌肉，减小迟滞性，同时可以运用到多种关节处。本专利技术由仿生股骨A、仿生胫骨B、仿交叉韧带C、柔性驱动器D组成，其中仿生股骨A和仿生胫骨B上下排列，仿交叉韧带C位于仿生股骨A的仿生股骨髁29和仿生胫骨B的仿生胫骨髁38之间。仿交叉韧带C中前轴承14外圈与仿生胫骨B中前孔52过盈连接；仿交叉韧带C中后轴承16外圈与仿生胫骨B中后孔37过盈连接；仿交叉韧带C中左轴承15外圈与仿生股骨A中左孔28过盈连接；仿交叉韧带C中右轴承17外圈与仿生股骨A中右孔25过盈连接。柔性驱动器D中前仿生肌肉对I的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对22的环对Ⅰ23、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中后仿生肌腱组件21的轴Ⅰ20活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中前法兰组件E的前轴3活动连接。柔性驱动器D中后仿生肌肉对J的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨A中前固定环对30的环对Ⅱ32、两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中前仿生肌腱组件34的轴Ⅱ35活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中后法兰组件G的后轴9活动连接。柔性驱动器D中右仿生肌肉对K的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中右法兰组件H的右轴6活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中左固定环对39的环对Ⅲ41、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中左仿生肌腱组件43的轴Ⅲ44活动连接。柔性驱动器D中左仿生肌肉对L的两个仿生肌肉上端与仿生股骨A中左法兰组件F的左轴12活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨B中右固定环对49的环对Ⅳ51两个仿生肌肉下端与仿生胫骨B中右仿生肌腱组件47的轴Ⅳ48活动连接。所述的仿生股骨A由仿生股骨柱18、后仿生肌腱组件21、前仿生肌腱组件34、后固定环对22、前固定环对30、仿生股骨髁29、左法兰组件F和右法兰组件H组成，其中后仿生肌腱组件21由仿生肌腱组Ⅰ19的三条仿生肌腱和轴Ⅰ20组成，三条仿生肌腱前端经轴Ⅰ20固接。前仿生肌腱组件34由仿生肌腱组Ⅱ3433的三条仿生肌腱和轴Ⅱ35组成，三条仿生肌腱后端经轴Ⅱ35固接；后固定环对22由杆对Ⅰ24和环对Ⅰ23组成，杆对Ⅰ24前端与环对Ⅰ23后端固接；前固定环对30由杆对Ⅱ31和环对Ⅱ32组成，杆对Ⅱ31后端与环对Ⅱ32前端固接；仿生股骨柱18为圆柱形。后仿生肌腱组件21经其仿生肌腱组Ⅰ19后端固接于仿生股骨柱18前侧上部；前仿生肌腱组件34经其仿生肌腱组Ⅱ33前端固接于仿生股骨柱18后侧上部；后固定环对2122经其杆对Ⅰ24后端固接于仿生股骨柱18前侧下部；前固定环对30经其杆对Ⅱ31前端固接于仿生股骨柱18后侧下部；仿生股骨髁29为口朝下的圆弧形，仿生股骨髁29上设有左孔28、左螺纹孔组27、右孔25、右螺纹孔组26。左法兰组件F由左法兰盘10、左连杆组11和左轴12组成，其中左连杆组11的三根连杆左端经左轴12固接，三根连杆右端与左法兰盘10左端固接；右法兰组件H由右法兰盘4、右连杆组5和右轴6组成，其中右连杆组5的三根连杆右端经右轴6固接，三根连杆左端与右法兰盘4右端固接；左法兰组件F的左法兰盘10右面固接于仿生股骨髁29的左孔28左面；右法兰组件H的右法兰盘4左面固接于仿生股骨髁29的右孔25右面。仿生股骨柱18下端固接于仿生股骨髁29上端。所述的仿生胫骨B由仿生胫骨髁38、右仿生肌腱组件47、左仿生肌腱组件43、右固定环对49、左固定环对39、仿生胫骨柱38、前法兰组件E和后法兰组件G组成，其中仿生胫骨柱45为圆柱形。右仿生肌腱组件47由仿生肌腱组Ⅲ46和轴Ⅲ48组成，仿生肌腱组Ⅲ46左端经轴Ⅲ48固接；左仿生肌腱组件43由仿生肌腱组Ⅳ42和轴Ⅳ44组成，仿生肌腱组Ⅳ42右端经轴Ⅳ44固接；左固定环对48由杆对Ⅲ50和环对Ⅳ51组成，杆对Ⅲ50左端与环对Ⅳ51右端固接；左固定环对39由杆对Ⅳ40和环对Ⅳ41组成，杆对Ⅳ40右端与环对Ⅳ41左端固接；右仿生肌腱组件47经其仿生肌腱组Ⅲ46右端固接于仿生胫骨柱45左侧下部；左仿生肌腱组件43经其仿生肌腱组Ⅳ42左端固接于仿生胫骨柱45右侧下部；右固定环对49经其杆对Ⅲ50右端固接于仿生胫骨柱45左侧上部；左固定环对39经其杆对Ⅳ40左端固接于仿生胫骨柱45右侧上部。仿生胫骨髁38为口朝上的圆弧形，仿生胫骨髁38上设有前孔52、前螺纹孔组53、后孔37和后螺纹孔组36。前法兰组件E由前法兰盘1、前连杆组2和前轴3组成，其中前连杆组2的三根连杆前端经前轴3固接，三根连杆后端与前法兰盘1前端固接；后法兰组件G由后法兰盘7、后连杆组8和后轴9组成，其中后连杆组8的三根连杆后端经后轴9固接，三根连杆前端与后法兰盘7后端固接；前法兰组件E的前法兰盘1后面固接于仿生胫骨髁38的前孔52前面；后法兰组件G的后法兰盘7前面固接于仿生胫骨髁38的后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：由仿生股骨(A)、仿生胫骨(B)、仿交叉韧带(C)、柔性驱动器(D)组成，其中仿生股骨(A)和仿生胫骨(B)上下排列，仿交叉韧带(C)位于仿生股骨(A)的仿生股骨髁(29)和仿生胫骨(B)的仿生胫骨髁(38)之间；仿交叉韧带(C)中前轴承(14)外圈与仿生胫骨(B)中前孔(52)过盈连接；仿交叉韧带(C)中后轴承(16)外圈与仿生胫骨(B)中后孔(37)过盈连接；仿交叉韧带(C)中左轴承(15)外圈与仿生股骨(A)中左孔(28)过盈连接；仿交叉韧带(C)中右轴承(17)外圈与仿生股骨(A)中右孔(25)过盈连接；柔性驱动器(D)中前仿生肌肉对(I)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(22)的环对Ⅰ(23)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中后仿生肌腱组件(21)的轴Ⅰ(20)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中前法兰组件(E)的前轴(3)活动连接；柔性驱动器(D)中后仿生肌肉对(J)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(30)的环对Ⅱ(32)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中前仿生肌腱组件(34)的轴Ⅱ(35)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中后法兰组件(G)的后轴(9)活动连接；柔性驱动器(D)中右仿生肌肉对(K)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中右法兰组件(H)的右轴(6)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中左固定环对(39)的环对Ⅲ(41)、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中左仿生肌腱组件(43)的轴Ⅲ(44)活动连接；柔性驱动器(D)中左仿生肌肉对(L)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中左法兰组件(F)的左轴(12)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中右固定环对(49)的环对Ⅳ(51)两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中右仿生肌腱组件(47)的轴Ⅳ(48)活动连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：由仿生股骨(A)、仿生胫骨(B)、仿交叉韧带(C)、柔性驱动器(D)组成，其中仿生股骨(A)和仿生胫骨(B)上下排列，仿交叉韧带(C)位于仿生股骨(A)的仿生股骨髁(29)和仿生胫骨(B)的仿生胫骨髁(38)之间；仿交叉韧带(C)中前轴承(14)外圈与仿生胫骨(B)中前孔(52)过盈连接；仿交叉韧带(C)中后轴承(16)外圈与仿生胫骨(B)中后孔(37)过盈连接；仿交叉韧带(C)中左轴承(15)外圈与仿生股骨(A)中左孔(28)过盈连接；仿交叉韧带(C)中右轴承(17)外圈与仿生股骨(A)中右孔(25)过盈连接；柔性驱动器(D)中前仿生肌肉对(I)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(22)的环对Ⅰ(23)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中后仿生肌腱组件(21)的轴Ⅰ(20)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中前法兰组件(E)的前轴(3)活动连接；柔性驱动器(D)中后仿生肌肉对(J)的两个仿生肌肉上部穿过仿生股骨(A)中前固定环对(30)的环对Ⅱ(32)、两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中前仿生肌腱组件(34)的轴Ⅱ(35)活动连接、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中后法兰组件(G)的后轴(9)活动连接；柔性驱动器(D)中右仿生肌肉对(K)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中右法兰组件(H)的右轴(6)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中左固定环对(39)的环对Ⅲ(41)、两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中左仿生肌腱组件(43)的轴Ⅲ(44)活动连接；柔性驱动器(D)中左仿生肌肉对(L)的两个仿生肌肉上端与仿生股骨(A)中左法兰组件(F)的左轴(12)活动连接、两个仿生肌肉下部穿过仿生胫骨(B)中右固定环对(49)的环对Ⅳ(51)两个仿生肌肉下端与仿生胫骨(B)中右仿生肌腱组件(47)的轴Ⅳ(48)活动连接。


2.按权利要求1所述的由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：所述的仿生股骨(A)由仿生股骨柱(18)、后仿生肌腱组件(21)、前仿生肌腱组件(34)、后固定环对(22)、前固定环对(30)、仿生股骨髁(29)、左法兰组件(F)和右法兰组件(H)组成，其中后仿生肌腱组件(21)由仿生肌腱组Ⅰ(19)的三条仿生肌腱和轴Ⅰ(20)组成，三条仿生肌腱前端经轴Ⅰ(20)固接；前仿生肌腱组件(34)由仿生肌腱组Ⅱ(3433)的三条仿生肌腱和轴Ⅱ(35)组成，三条仿生肌腱后端经轴Ⅱ(35)固接；后固定环对(22)由杆对Ⅰ(24)和环对Ⅰ(23)组成，杆对Ⅰ(24)前端与环对Ⅰ(23)后端固接；前固定环对(30)由杆对Ⅱ(31)和环对Ⅱ(32)组成，杆对Ⅱ(31)后端与环对Ⅱ(32)前端固接；仿生股骨柱(18)为圆柱形，后仿生肌腱组件(21)经其仿生肌腱组Ⅰ(19)后端固接于仿生股骨柱(18)前侧上部；前仿生肌腱组件(34)经其仿生肌腱组Ⅱ(33)前端固接于仿生股骨柱(18)后侧上部；后固定环对(2122)经其杆对Ⅰ(24)后端固接于仿生股骨柱(18)前侧下部；前固定环对(30)经其杆对Ⅱ(31)前端固接于仿生股骨柱(18)后侧下部；仿生股骨髁(29)为口朝下的圆弧形，仿生股骨髁(29)上设有左孔(28)、左螺纹孔组(27)、右孔(25)、右螺纹孔组(26)；左法兰组件(F)由左法兰盘(10)、左连杆组(11)和左轴(12)组成，其中左连杆组(11)的三根连杆左端经左轴(12)固接，三根连杆右端与左法兰盘(10)左端固接；右法兰组件(H)由右法兰盘(4)、右连杆组(5)和右轴(6)组成，其中右连杆组(5)的三根连杆右端经右轴(6)固接，三根连杆左端与右法兰盘(4)右端固接；左法兰组件(F)的左法兰盘(10)右面固接于仿生股骨髁(29)的左孔(28)左面；右法兰组件(H)的右法兰盘(4)左面固接于仿生股骨髁(29)的右孔(25)右面；仿生股骨柱(18)下端固接于仿生股骨髁(29)上端。


3.按权利要求1所述的由柔性驱动器驱动的膝关节，其特征在于：所述的仿生胫骨(B)由仿生胫骨髁(38)、右仿生肌腱组件(47)、左仿生肌腱组件(43)、右固定环对(49)、左固定环对(39)、仿生胫骨柱(38)、前法兰组件(E)和后法兰组件(G)组成，其中仿生胫骨柱(45)为圆柱形；右仿生肌腱组件(47)由仿生肌腱组Ⅲ(46)和轴Ⅲ(48)组成，仿生肌腱组Ⅲ(46)左端经轴Ⅲ(48)固接；左仿生肌腱组件(43)由仿生肌腱组Ⅳ(42)和轴Ⅳ(44)组成，仿生肌腱组Ⅳ(42)右端经轴Ⅳ(44)固接；左固定环对(48)由杆对Ⅲ(50)和环对Ⅳ(51)组成，杆对Ⅲ(50)左端与环对Ⅳ(51)右端固接；左固定环对(39)由杆对Ⅳ(40)和环对Ⅳ(41)组成，杆对Ⅳ(40)右端与环对Ⅳ(41)左端固接；右仿生肌腱组件(47)经其仿生肌腱组Ⅲ(46)右端固接于仿生胫骨柱(45)左侧下部；左仿生肌腱组件(43)经其仿生肌腱组Ⅳ(42)左端固接于仿生胫骨柱(45)右侧下部；右固定环对(49)经其杆对Ⅲ(50)右端固接于仿生胫骨柱(45)左侧上部；左固定环对(39)经其杆对Ⅳ(40)左端固接于仿生胫骨柱(45)右侧上部；仿生胫骨髁(38)为口朝上的圆弧形，仿生胫骨髁(38)上设有前孔(52)、前螺纹孔组(53)、后孔(37)和后螺纹孔组(36)；前法兰组件(E)由前法兰盘(1)、前连杆组(2)和前轴(3)组成，其中前连杆组(2)的三根连杆前端经前轴(3)固接，三根连杆后端与前法兰盘...

【专利技术属性】
技术研发人员：任露泉，赵顺，任雷，王坤阳，钱志辉，修豪华，梁威，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22