[发明专利]柔性仿人体肩关节机构及运动方法

说明书

技术领域

本发明设计一种气动肌腱驱动的柔性仿人体肩关节机构及运动方法，属于仿生机器人领域。

背景技术

仿生机器人是指模仿自然界中生物的外在形状或者是某些机能的机器人系统，自1959年美国制造了第一台工业机器人，在短短的半个世纪中，机器人的研究经历了从工业机器人、遥控机器人、智能机器人到仿生机器人的四个阶段。经过数亿年的进化，人体拥有灵巧的生物结构和机敏的运动模式，所以在其结构和运动上有很大的借鉴意义。同时，在应对复杂的工作环境和要求高精度、高可靠性和强鲁棒性的工作条件方面，仿生机器人有其显著的优势。

并联机器人具有刚度大、运动精度高、承载能力强等优点。根据人体肩部结构可知，人体肩关节是由较为复杂的肌肉群驱动相应的骨骼产生运动，该结构类似于并联机构，所以将并联机构引入到仿生肩部关节机构设计当中。同时人体是由肩胛骨和肱骨的串联的形式，所以设计了一个串并联机构来从结构上较大程度地对人体肩关节进行仿生研究。

由于气动肌腱在功能上与人体肌肉较为相似，它的工作原理是肌腱橡胶管内冲入气体，肌腱产生轴向拉力，并且长度可以在轴向上产生变化。相比于传统的驱动器，气动肌腱具有结构简单、柔顺性好、清洁无污染、价格低廉、安装方便、噪声小、功率/重量比高等优点。将其用于仿人体肩关节机构的设计，能够使机构具有较强的柔顺性和负载能力等优势。

发明内容

本发明旨在设计一种具有较好柔顺性的仿人体肩关节机构及运动方法，能够从人体的机构上进行仿生设计，并且具有较好的驱动性能，紧凑的结构等。

一种柔性仿人体肩关节机构，其特征在于：它包括固定平台、一级运动平台、二级运动平台；上述一级运动平台通过球铰Ⅰ与固定平台连接，球铰Ⅰ外圈与固定平台固连，球铰Ⅰ杆端与一级运动平台固连；球铰Ⅰ四周还分布四根一级气动肌腱；四根一级气动肌腱在空间上绕球铰Ⅰ杆端轴线呈中心对称；其中一级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构与一级运动平台连接；四根一级气动肌腱与一级运动平台的四个连接点在同一个平面，并且在正方形的四个顶点，球铰Ⅰ杆端轴线与四个连接点所在平面垂直且过正方形对角线交点；其中一级气动肌腱的第二端通过三自由度关节结构与一调节块连接，调节块通过螺钉锁紧于固定平台的调节槽内；上述四段调节槽沿顺时针依次称为第一、第二、第三、第四段调节槽，其中第一、第四段滑槽位于同一直线上，第二、第三段滑槽位于同一直线上，并且四段滑槽均位于同一平面，且均相互平行；上述二级运动平台通过螺纹连接固定于支撑杆件上，支撑杆件通过球铰Ⅱ与上述一级运动平台连接；球铰Ⅱ外圈与一级运动平台的固定部件Ⅱ固连，球铰Ⅱ杆端与支撑杆件上的W形固定部件固定；上述支撑杆件四周还分布四根二级气动肌腱；四根二级气动肌腱在空间上绕支撑杆件呈中心对称； 上述二级气动肌腱的两端通过三自由度关节结构分别与二级运动平台及一级运动平台相连；四根二级气动肌腱与一级运动平台的连接点在一个正方形的四个顶点，与二级运动平台的四个连接点也在一个正方形的四个顶点；该关节机构还包括另外两根二级气动肌腱，它们对称分布于支撑杆件两侧；这两根二级气动肌腱的第一端通过三自由度关节结构分别与W形固定部件的两个末端连接；它们的第二端通过三自由度关节结构与一级运动平台连接。

所述的柔性仿人体肩关节的运动方法，其特征在于包括以下过程：安装于固定平台和一级运动平台之间的四根一级气动肌腱驱动一级运动平台相对于固定平台产生三自由度转动，一级运动平台同步带动固定于其上的部件做相同的转动；安装于W形固定部件和一级运动平台之间的两根二级气动肌腱，同安装于固定部件Ⅱ和二级运动平台之间的四根二级气动肌腱共同驱动二级运动平台产生相对于一级运动平台的三自由度转动；上述连接固定平台和一级运动平台的四根一级气动肌腱相对于固定平台的固定位置可以通过改变调节块在调节槽中的位置进行调整；二级运动平台与支撑杆件通过螺纹连接，所以二级运动平台绕着支撑杆件转动即可调整二级运动平台与一级运动平台之间的距离；通过位置的调整，柔性仿人体肩关节可以获得不同的运动特性和力学特性。

所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ杆端与一级运动平台的连接方式为球铰Ⅰ杆端外螺纹与一级运动平台上的螺纹孔相配合。

所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述球铰Ⅰ外圈与固定平台的连接方式为球铰Ⅰ外圈通过四根均匀分布的螺钉锁紧于固定平台之上。

所述的柔性仿人体肩关节，其特征在于：上述三自由度关节结构为钢丝绳固定结构。