[发明专利]一种串并联继电器替代生物肌肉功能的装置及方法

说明书

本发明属于机器人仿真技术领域，尤其涉及一种串并联继电器替代生物肌肉功能的装置，包括替代肌肉的继电器模组1、替代肌腱的连杆2、替代关节的转轴5和替代皮肤的封装外壳3，所述继电器模组1包括一个或多个继电器11，继电器11之间通过刚性连接件12连接组成继电器模组1，多个继电器模组1间也通过刚性连接件12互相连接，在转动关节处，继电器模组1通过连杆2与转轴5相连，所述封装外壳3覆于继电器模组1、连杆2、转轴5和支杆4的外侧。本发明还涉及一种串并联继电器替代生物肌肉功能的方法。本发明比传统的电机驱动机械转动响应更快，适用范围更广，通过串并联继电器模组替代肌肉功能，更加灵敏、稳定、可靠且控制范围更大。

技术领域

本发明属于机器人仿真技术领域，特别涉及一种利用串并联继电器替代生物肌肉功能的方法和装置。

背景技术

设计仿真机器人的一个基本要求就是使机器人能完成人类的基本肢体动作。以手臂为例，手臂上的肌肉分成肌腹和肌腱两部分，肌腹由肌纤维构成，有收缩能力，肌腱由致密结缔组织构成，无收缩能力，骨骼肌依靠肌腱附着于骨骼。在肌腱的牵引作用下，肌肉才能收缩并带动不同骨骼运动。

继电器是一种利用电磁效应实现衔铁产生位移变化的元件，利用继电器模组代替肌腹，连杆代替肌腱，转轴代替关节，封装外壳代替皮肤的方法可模拟人类肢体的基本动作。根据所需的肌肉收缩长度和拉力大小，可设计不同的继电器模组串并联方式，使继电器模组能高度模拟肌肉的收缩功能。

在传统的机械手臂设计中，采用转轴牵动手臂运动的方式缺少灵活性且有机械磨损，采用人工纤维类肌肉的材料工作强度低，采用气动人工肌肉的方法需另加压缩机提供压缩空气驱动肌肉运动，且气动人工肌肉的变形呈非线性，其位移难以准确控制。与上述方法相比，通过串并联多组继电器来替代生物肌肉进行收缩运动的方法，具有灵敏度高、结构简单、稳定可靠、适用范围广的特点。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种串并联继电器替代生物肌肉功能的方法和装置，以解决上述背景技术中提出的问题，包括替代肌腹的继电器模组1、替代肌腱的连杆2、替代关节的转轴5和替代皮肤的封装外壳3，其特征在于，所述继电器模组1包括一个或多个继电器11，继电器11之间通过刚性连接件12连接组成继电器模组1，多个继电器模组1间也通过刚性连接件12互相连接，在转动关节处，继电器模组1通过连杆2与转轴5相连，所述封装外壳3覆于继电器模组1、连杆2、转轴5和支杆4的外侧，所述继电器11包括弹簧111、衔铁112、电磁线圈113、滑轨114、支架115、电流互感器116、电源117和开关118，所述继电器11由单个开关118和单个电流互感器116控制。

优选地，所述继电器11之间可通过串联、并联或串并联组合的连接方式形成继电器模组1，串联多个继电器11可增大模拟肌肉收缩位移，并联多个继电器11可增大模拟肌肉拉力，串并联多个继电器11可同时增大模拟肌肉收缩位移和模拟肌肉拉力。

优选地，每一块模拟肌肉的功能由一组继电器模组1完成，多个继电器模组1间也可以进行串联、并联或串并联组合，串联、并联或串并联继电器之间可设置独立开关，串联、并联或串并联继电器的个数与方式由肌肉的收缩长度和拉力确定。

优选地，所述继电器11的磁线圈3两侧均装有弹簧111，弹簧111数量为2个以上，以确保衔铁112在移动过程中与支架115保持平行，不发生偏移，滑轨114滑道长度不超过弹簧111的原长度，以确保弹簧在工作过程中只处于压缩和自然状态，不会因相邻继电器11发生位移而在刚性连接件12的惯性力作用下被拉长。

优选地，所述刚性连接件12将多个继电器模组1连接为一个整体，当仅有部分继电器11工作时，刚性连接件12能依靠惯性力带动未工作的继电器11进行位移移动，使模拟肌肉有整体的收缩效果。