基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，包括单轴髋关节，大腿杆，气动人工肌肉驱动机构，仿生膝关节，小腿杆，踝关节传动机构及柔性假脚；所述单轴髋关节与大腿杆轴连，大腿杆连接仿生膝关节，仿生膝关节、小腿杆、踝关节传动机构及柔性假脚依次连接，气动人工肌肉驱动机构包括横杆，横杆垂直固定于大腿杆内，两个气动人工肌肉平行设置，一端与横杆固连，另一端通过链条互连，所述链条通过链轮与仿生膝关节的驱动轴连接，通过一对气动肌肉的对拉来实现驱动。具有行走步态自然，对路况适应力强，运动冲击小，行走速度快，能耗小，能实现关节柔性运动的特点。还具有结构简单，设计精巧的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，包括单轴髋关节，大腿杆，气动人工肌肉驱动机构，仿生膝关节，小腿杆，踝关节传动机构及柔性假脚；所述单轴髋关节与大腿杆轴连，大腿杆连接仿生膝关节，仿生膝关节、小腿杆、踝关节传动机构及柔性假脚依次连接，气动人工肌肉驱动机构包括横杆，横杆垂直固定于大腿杆内，两个气动人工肌肉平行设置，一端与横杆固连，另一端通过链条互连，所述链条通过链轮与仿生膝关节的驱动轴连接，通过一对气动肌肉的对拉来实现驱动。具有行走步态自然，对路况适应力强，运动冲击小，行走速度快，能耗小，能实现关节柔性运动的特点。还具有结构简单，设计精巧的优点。【专利说明】基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构
本专利技术涉及仿生机器人领域，特别涉及一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构。
技术介绍
双腿机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类双腿及髋关节、膝关节和踝关节的运动，能够代替人类进行一些重复性的劳动，或在危险的环境下行走，代替人类进行作业，延伸和扩大人类的活动范围。膝关节的设计是双腿机器人实现拟人的关键。借鉴仿生学研究，模拟人腿膝关节结构及肌肉驱动模式，开发一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，可以有效解决双腿行走机器人存在的上述问题。通常普通双腿机器人研究中多采用直流伺服电机作为驱动源提供驱动力，有些采用液压或气压驱动。液压驱动虽然平稳，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，且液压缸重量较大，对密封性要求高，存在泄露和污染的情况。气动驱动目前主要用于I / 2自由度的点到点的关节位置控制，同时它对缸体的密封性要求高。此外，一些新型的驱动器如形状记忆合金、磁致伸缩驱动器等尚处在研发阶段，距离实际应用尚有一定距离。目前，普通双腿机器人研究中多采用直流伺服电机提供驱动，电机主轴后面安装相对角度编码盘测量转角，电机驱动能够实现各种步态，易于实现精密控制，但在模拟人体腿部行走或奔跑时，脚在落地的瞬间会产生较大的冲击力，易造成电机驱动刚性过大，难以实现人类关节的柔顺运动。 人腿骨骼经过自然选择和长期进化，最适合双腿直立行走，而各个关节在选择和进化过程中的结构变化更加有利于这种行走方式。目前双腿行走机器人膝关节多采用单轴铰接方式，与人腿关节的结构、运动机理和驱动方式等有着本质的区别，从而导致不能很好地模拟人的步态。I)关节机构类型差异人体膝关节在屈伸过程中，关节由内外两侧肌肉伸缩运动驱动，既有转动又有滑动，从而能够改变大小腿的长度，具有较好的越障功能。生物医学研究表明，膝关节水平转动轴在屈伸过程中位置是变化的，在转动的同时伴随有移动，其瞬时转动中心(InstantCenter of Rotation, ICR)移动轨迹按“J”型曲线变化。同时，膝关节工CR的变化和大小腿的长度变化可以调节地面反力作用在关节上的力矩大小和减小稳定膝关节所需的髋关节伸展肌力，从而可以提高双腿行走的稳定性和高效性。目前行走机器人所采用的膝关节结构与人体关节相比，本质上存在区别。在大多数有源双腿行走机器人的设计中，膝关节多采用2连杆铰接的机械结构，其ICR固定不变，行走步态不自然，与人体正常行走步态存在较大差别。为保持支撑相的稳定性，机器人在站立时多保持双腿弯曲，且行走速度缓慢，导致机器人行走步态拟人性差。2)关节驱动差异正常人体双腿行走时，关节两侧的肌肉接受神经传输的信号，通过关节两侧与韧带相连肌肉的伸缩运动驱动关节转动，整个驱动过程平稳，而柔顺性较好的肌肉和韧带能够缓冲地面的碰撞冲击。目前大多数双腿行走机器人的研究中，其基本结构多由刚性杆件连接而成，膝关节采用电机驱动，刚性过大，柔顺性较差，尤其在不平路况上行走时，造成行走不稳定，与人体膝关节肌肉驱动方式存在较大差异。 正常人体关节是由骨骼肌驱动，不仅能够提供驱动力，实现精确的位置控制，而且能够吸振、缓冲、柔顺性好，这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。气动人工肌肉作为一种新型的橡胶驱动器，具有质量轻、结构简单、输出力大、柔顺性好、力-长度特性与人体肌肉十分类似等特点。这些都是其他传统的驱动方式所不完全具有的，因此对于驱动仿生移动机器人而言，气动人工肌肉是十分合适的选择。国内外的许多专家学者，如陶国良等对气动人工肌肉驱动的仿人腿关节运动控制进行了研究，并得到了一些成果。尽管目前各国对双腿行走机器人都进行了较深入的研究，实现了双腿的稳定行走、上下楼梯和转弯等人类的基本运动。但通过分析其发展过程可知，双腿行走机器人仍存在着较多问题:(I)行走步态不自然，与正常人体步态相差较大，对地面路况适应能力不强；(2)受限于自身机械结构，运动过程中产生冲击，行走速度慢；(3)各个关节大都采用电机主动驱动方式，能耗大，驱动方式刚性大，不利于实现关节的柔性运动。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，具有行走步态自然，对路况适应力强，运动冲击小，行走速度快，能耗小，能实现关节柔性运动的特点。还具有结构简单，设计精巧的优点。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为:基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，包括单轴髋关节，大腿杆，气动人工肌肉驱动机构，仿生膝关节，小腿杆，踝关节传动机构及柔性假脚；所述单轴髋关节与大腿杆轴连，大腿杆连接仿生膝关节，仿生膝关节、小腿杆、踝关节传动机构及柔性假脚依次连接，气动人工肌肉驱动机构包括横杆，横杆垂直固定于大腿杆内，两个气动人工肌肉平行设置，一端与横杆固连，另一端通过链条互连，所述链条通过链轮与仿生膝关节的驱动轴连接，通过一对气动肌肉的对拉来实现驱动。所述仿生膝关节为双侧四杆机构，四杆机构包括通过连杆依次活动连接的第一轴、第二轴、第三轴、第四轴，所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴，及连接他们的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、构成一角度可变的不规则四边形，两个四杆机构的第一连杆构成一整体连杆，两个四杆机构的第三连杆构成一整体连杆。大腿杆与由两个四杆机构第一连杆构成的整体连杆固连，小腿杆与由两个四杆机构第三连杆构成的整体连杆固连，行走中小腿杆可绕仿生膝关节相对于大腿杆旋转。所述仿生膝关节的详细参数为:所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆的长度比例为:17.728: 62.749: 35.476: 49.75，正常站立时第三连杆与水平面的角度为:44.92 度。所述第四轴为驱动轴。所述驱动轴上安装有用于固定链轮的卡环，所述链轮与驱动轴键连接。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为:本专利技术提出一种基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，具有1、行走步态自然:膝关节的ICR并非固定，而是跟随膝关节角度的变化而变化，能有效地模拟正常人膝关节的运动。2、对路况适应力强:在摆动相中能有效地缩短人工腿大小腿杆的长度，从而提高抬脚高度，避免与地面障碍物碰撞。3、运动冲击小:能有效地利用面反力保持支撑相稳定性，并有助于机器腿离地时弯曲。4、行走速度快，能耗小:采用气动人工肌肉驱动。5、能实现关节柔性运动:在摆动中期或者坐下时，膝关节瞬心下降到正常位置，能有效改善坐姿，使坐下时双膝姿势保持一致的特点。还具有结构简单，设计精巧的优点。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于人工肌肉驱动的双腿机器人腿部机构，包括单轴髋关节，大腿杆，气动人工肌肉驱动机构，仿生膝关节，小腿杆，踝关节传动机构及柔性假脚；其特征在于，所述单轴髋关节与大腿杆轴连，大腿杆连接仿生膝关节，仿生膝关节、小腿杆、踝关节传动机构及柔性假脚依次连接，气动人工肌肉驱动机构包括横杆，横杆垂直固定于大腿杆内，两个气动人工肌肉平行设置，一端与横杆固连，另一端通过链条互连，所述链条通过链轮与仿生膝关节的驱动轴连接，通过一对气动肌肉的对拉来实现驱动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢华龙，李飞，杨建宇，盛忠起，翁宁，
申请(专利权)人：东北大学，沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：