[发明专利]仿生机械关节

说明书

相关申请

本申请要求于2008年8月28日提交且标题为“Biomimetic MechanicalJoint”(仿生机械关节)的美国临时专利申请No.61/092,699的优先权，在此通过引用将该申请全文并入。

技术领域

本发明的领域总的涉及外骨骼和机器人，尤其涉及具有天然或类似于人类特征的用于外骨骼和机器人的机械关节。

背景技术

近几十年来已实现机器人和机器人设备开发的显著进步。通过使用机器人装配器和操纵器获得的制造效率、探测用机器人车辆(如在火星表面上行走的那些)以及在主题公园和其它景点常见的电子动漫人物只是少数受欢迎的例子。然而，这些专业机器人具有的共同特点在于它们既不具备真正的仿人能力，也不能以类似于人类的操作行使功能。实际上，许多机器人设备受制于外部电源，而另一些则构造成在不具备双踏板或仿人运动的情况下移动。真正的可移动且不受束缚的人形机器人和外骨骼虽然存在，但处于早期发展阶段，并被继续改进以更好地参与可移动的仿人活动。

朝不受束缚的人形机器人活动改进仿人或仿生机器人系统一直存在技术难点的一个原因是向机器人提供移动能力的机械关节内固有的低效率。在一种机器人设备中，围绕机械关节的运动是动力的主要消耗体。即使存在已对机器人和人类辅助设备中的机械关节进行控制和性能方面的优化的少数例外，这些也优先于最佳效率考虑。例如，许多现代非仿生工业机器人利用与外部电力、流体或机械动力系统——其能够供应过剩的动力——永久连接的优点执行大量工作，从而使关节能够精确和有力地移动，但它们也非常浪费能量。

动力驱动的假肢也影响了效率，因为这些装置主要被限制在容易接入电源的实验室、研究中心或居民区内的个人生活空间。然而，在远程工作环境或战场环境中，效率对长期操作和/或耐久性来说非常关腱，因为外骨骼或仿人机器人如果过早地用光燃料或电池电量耗尽则毫无用处。仿人机器人设备或外骨骼的更有效的操作、特别是仿生关节通过一定移动范围和负载条件的更有效的操作在不牺牲速度或动力的前提下的进步是亟需的，并且将用来提供改进的、不受束缚的仿人机器人活动。

发明内容

人体可以是在效率方面优化外骨骼和仿人机器人中的机械关节的一个模型。动物界内的所有物种——包括人类——的身体为了进行高效率的操作而不断进化，以便仅使用最近的一次用餐或储存的脂肪作为能量来活动和存活。使用仿生机械关节，至少可部分提供模拟人类肢体围绕天然关节的有效运动的能力。

在本发明中，这包括提供仿生机械关节的能力，该仿生机械关节模拟由天然关节提供的可变扭矩，该可变扭矩是使关节在各种负载条件下有效转动经过一定位置范围所需的。对于外骨骼和仿人机器人，仿生机械关节可包括可变半径滑轮，该可变半径滑轮通过一个或多个柔性腱索(tendon)与一副或多副对抗致动器(antagonistic actuator)联接以在使转动支承部件或肢体部段转动时提供可变扭矩，该可变扭矩模拟相应的天然关节所提供的可变扭矩。

按照如文中宽泛地描述的一个有代表性的实施例，本发明在于一种用于模拟天然关节所提供的可变扭矩的仿生机械关节，该机械关节包括机器人设备的基部支承部件、该机器人设备的转动支承部件以及将转动部件可转动地联接在基部部件上的可变半径(“VR”)滑轮。该VR滑轮还包括带有周向外表面和枢转点/部位的槽轮体部——该外表面与该枢转部位之间的径向距离可沿着该外表面的长度变化、形成在该外表面中的一条或多条腱索沟槽以及形成在腱索沟槽内的腱索附接点/部位。该机械关节还包括一个或多个柔性腱索，各腱索联接在腱索附接部位上并具有在腱索沟槽内沿相反的方向卷绕在滑轮周围的第一端部分和第二端部分。该机械关节还包括一个或多个对抗致动器副，各致动器副利用一对端部连接器联接在腱索的两个端部分上，并且该致动器副构造成沿(两个方向中的)任一方向绕着可变半径滑轮拉曳腱索以在基部与转动支承部件之间形成可变扭矩。