[发明专利]仿生肌肉的柔性驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生肌肉驱动装置，尤其涉及一种仿生肌肉的柔性驱动器。

背景技术

仿人机器人一直是机械电子领域的研究热点，研究人员一直希望能够使机器人的运动能够像人体一样灵活轻盈。但直至目前，仍没有一种机器人能够在运动的灵活性上可以比拟人体。在机器人的运动方面，最直接和关键的部件便是驱动器，驱动器的刚性、控制等问题也是导致目前机器人运动僵硬的关键。

早期的仿人机器人中运用较多的驱动器主要是内燃机和液压等。但是燃机由于其燃烧效率底下、高温、噪声等问题目前基本已经淘汰。传统液压由于油液的污染等问题也所用不多。气动技术也同样因为噪声和效率等的问题难以推广。

目前仿人机器人上使用最多的驱动器是电机。由于电机在扭矩、控制方法等方面的优势，目前阿西莫、NAO等最优秀的机器人几乎都采用了电机。

但是由于电机只能输出一个转动的自由度，传统的电机驱动方式是用来驱动一个转动关键。对于人体上面的多自由度关节（如三自由度的髋关节），则不能直接驱动，需要分解成多个（如三个自由度）自由度，分别设置电机，来进行驱动，这样设置的串联驱动，与人体肌肉的多根肌肉并联驱动关节并存在差距。这样的驱动方式使得机器人动作不够连续自如，当作为外骨骼来与人体共同运动时也会限制人的运动。

此外由于将电机安置在关节转轴处，会增加上一级驱动的负担，导致扭矩需求和能量需求都较大，而人类的肌肉来说由于很大部分的重量集中在肌肉处，上一级驱动所需提供的负荷可以大大减少。

因此越来越多的研究者从仿生肌肉的角度来考虑，寻求一种类似肌肉的可以弯折布置并产生拉力的驱动装置来模仿肌肉的结构和功能。这类被称为“人工肌肉”的驱动器中一类使用气动技术（CN 103253368 A）、液压技术(CN 103802126 A)的，通过压力来产生使管状腔膨胀，从而使其纵向缩短，但其体积都较大，很难应用于精细的机器人。另一类采用一些新材料，如形状记忆合金(CN 102813563 B)、电/磁致缩性材料等，这些材料虽然在一些特性上甚至超过了肌肉，但由于如变形较慢、电压过高等原因仍未能得到广泛应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种仿生肌肉的柔性驱动器，该驱动器功能完整，集成度高，布置方便，控制简单，便于与其他设计结合应用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种仿生肌肉的柔性驱动器，包括主体和电路板，所述电路板与主体固定联接；所述主体包括第一固定环、第一齿轮、第一钢丝绳、绕线轴、蜗杆、电位器、蜗轮、电机固定架、第二固定环、第二钢丝绳、梁式拉力传感器、电机、电磁离合器、外壳；其中，电机通过电机固定架固定在外壳里面；电磁离合器固定联接在外壳上；电机的D型轴和电磁离合器的内部转动部分连接；电磁离合器的外部转动齿轮与第一齿轮啮合；第一齿轮通过键与绕线轴联接，第一钢丝绳的一端固定联接在绕线轴上，另一端穿过外壳下方的孔与第一固定环连接；蜗杆固定联接在绕线轴上，电位器固定联接在外壳上；蜗轮固定连接在电位器的输出轴上，蜗杆和蜗轮啮合传动；梁式拉力传感器一端固定联接在外壳上，另一端通过第二钢丝绳与第二固定环连接；

所述电路板包括电源模块、驱动模块、力检测模块、位置检测模块和微处理器模块五个部分；其中，驱动模块、力检测模块、位置检测模块和微处理器模块的电源端口均与电源模块的输出端口相连；驱动模块的电机输出座P4和电磁离合器输出座P5分别与电机和电磁离合器相连，驱动模块的7个控制信号输入IO端口和微处理器模块的7个控制信号输出IO端口对应相连；力检测模块的传感器输入插座P6与梁式拉力传感器相连，力检测模块的数字输入端口和数字输出端口分别与微处理器模块的数字输出端口和数字输入端口相连；位置检测模块的插座P8与电位器相连，位置检测模块的电位输出端口与微处理器模块的AD转换输入端口相连。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

（1）本发明中的仿生肌肉采用电机驱动，相比以往采用气动液压等技术的驱动器能量密度更高，控制更加方便。相比选用新材料的驱动方式控制更加选用低电压驱动，行程大，便于根据不同需求调节设置。

（2）本驱动装置集成了控制电路器及传感器，相比单一的驱动装置，集成度更高，更完善地仿生了肌肉的主要功能，便于独立使用和控制。

（3）通过离合器的设置，相比普通电机驱动器克服了电机减速箱造成的自锁，实现了仿生肌肉释放过程不需要驱动电机反转，从而避免了额外消耗能量以及增加控制难度，便于控制。