上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源_陆地仿生_一种基于万向联轴节式并联机构的气动肌肉仿生关节 CN104029217A

(19)中华人民共和国国家知识产权局 可▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104029217A (43)申请公布日2014.09.10 (21)申请号201410267007.X (22)申请日2014.06.17 (71)申请人东北大学 地址110819辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人郝丽娜项超群杨辉 (51)Int.CI. B25J1702(2006.01) 权利要求书1页说明书3页附图4页 (54)发明名称 一种基于万向联轴节式并联机构的气动肌肉 仿生关节 (57)摘要 本发明涉及一种基于万向联轴节式并联机构 的气动肌肉仿生关节，主要结构包括：支撑杆，固 定端平台，连接轴，深沟球轴承，气动肌肉，万向联 轴节，前臂平台，孔用弹性挡圈，圆螺母。仿生关 节工作时，通过对气动肌肉充气，则橡胶管在充气 后膨胀，并作用于编织网。编织网的网线编织角增 加，引起气动肌肉轴向收缩。通过对单根、两根或 三根气动肌肉的分别充气可使得前臂平台完成三 个转动自由度运动。本发明仿生关节结构相对简 单，轻便，具有较好的灵活性，成本低廉。运动时姿 态空间较大，更接近人类手臂的运动范围，从而增 强了机构的顺应性，增大了位姿调整范围。将本发 明应用到医疗康复领域中，可以增强老年人或上 肢残障人士功能恢复的效果。 T362001

CN104029217A 权利要求书 1/1页 1.一种基于万向联轴节式并联机构的气动肌肉仿生关节，主要部件包括：支撑杆，固 定端平台，连接轴，深沟球轴承，气动肌肉，万向联轴节，前臂平台，孔用弹性挡圈，圆螺母； 六个万向联轴节，其中三个通过连接轴的销孔端与固定端平台相连，其余三个通过连接轴 的销孔端与前臂平台相连。 2.如权利要求书1所述的固定端平台和前臂平台，其特征在于两个平台上分别加工出 三个120°均布的阶梯孔。 3.如权利要求书2所述的固定端平台和前臂平台上的阶梯孔，其特征在于阶梯孔中安 装深沟球轴承，并通过连接轴、圆螺母和孔用弹性挡圈固定。 4.如权利要求书1所述支撑杆，其特征在于支撑杆的一端与固定端平台的中心通过螺 纹固连，另一端通过万向联轴节和连接轴与前臂平台相连接。 5.如权利要求书1至4所述连接轴，其特征在于其为一阶梯轴，其一端加工螺纹，另一 端加工有销钉孔

CN104029217A 说明书 1/3页 一种基于万向联轴节式并联机构的气动肌肉仿生关节 技术领域 [0001] 本发明涉及机器人和人体仿生学领域，特别涉及一种气动肌肉仿生关节。 背景技术 [0002]当今社会，随着经济高速增长和快速发展的同时，生产和交通灾害所造成的残疾 人数正逐年增加，多种疾病也致使许多人的上肢失去功能。另外一个方面，全球人口的老 龄化带来大量的问题，例如老龄人需要专业的及时看护完成日常生活、医疗问题。这些问 题的解决将带来大量的财政负担。人体上肢仿生机构可以用于这些患者的肢体功能恢复， 并且可用于为老年人提供助力装置以便完成日常生活运动，这将缓解当前专业技师人数不 足的局面，并使之能够降低他们的财政负担，具有重大的社会意义。目前，虽然国内外学者 对气动肌肉上肢康复领域的研究己经展开了很多年，对仿生肘关节的结构设计也多种多 样，包括3-SPS/S等并联机构，但这些机构的运动空间普遍较小，远小于人类手臂的运动范 围，且多为电机驱动，使得其质量大，安全性能差，这让仿生手臂的舒适度、活动范围以及 患者的康复效果与实际需求相差甚远。新型仿生驱动装置一气动（人工）肌肉(Pneumatic Artificial Muscle,简称PAM),主要优点在于工作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较 为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，并且具备电机等驱动器不具备的柔顺性。气动 (人工)肌肉驱动装置可应用于多个领域，可替代现在机器人上广泛使用的电机驱动装置， 使得机器人具有更好的灵活性，如可以用于人体假肢、肢体康复设备和仿生机器人以及娱 乐行业等等。 [0003]中国专利CN1961848B提出了一种单自由度气动肌肉的柔性外骨骼肘关节，该 肘关节机构由两条气动肌肉及一个单自由度旋转运动副构成，该结构只能实现单自由度运 动。 [0004]中国专利CN101181175A提出了一种单自由度肘关节康复训练装置，该机构采用 两根气动肌肉双端对拉的方式驱动，该结构只能实现单自由度运动。 [0005]中国专利CN102126210A,提出了一种七自由度气动肌肉柔性机械手臂，该机构的 每自由度运动是通过两根气动肌肉的双端对拉原理驱动，带来的结果是体积庞大，成本高 昂。 发明内容 [0006]本发明的目的在于提供一种结构简单、轻便，具有良好灵活性及柔顺性并可实现 大范围位姿调整的气动肌肉仿生关节。 [0007]本发明的气动肌肉仿生关节具有三维旋转自由度，其特殊之处是，气动肌肉与前 臂平台及固定端平台的连接部分采用万向联轴节、连接轴、深沟球轴承和弹性挡圈连接。通 过驱动气动肌肉，进而驱动前臂平台三维旋转运动。 [0008]从图1所示，所述仿生关节的性能包括：以地面为固定坐标系，前臂平台的支撑杆 平行于7轴，且垂直向上。前臂平台绕X轴，/轴，运动范围可达(-50°，50°)绕Z轴旋转

CN104029217A 说明书 2/3页 运动范围可达(-25°，25°)，仿生关节输出力可达300N。 [0009] 同之前的技术相比，本发明的优点在于： 1、本发明仿生关节，运动时姿态空间较大，更接近人类手臂的运动范围，从而增强了机 构的顺应性，增大了位姿调整范围； 2、通过将气动肌肉作为驱动器，使该仿生关节的结构相对简单、轻便，具有较好的灵活 性； 3、将本发明仿生关节应用到医疗康复领域中，可以增强老年人或残障人士上肢功能恢 复的效果。 附图说明 [0010]图1仿生关节结构示意图： 图2固定端平台结构示意图； 图3前臂平台结构示意图； 图4气动肌肉仿生关节系统图。 [0011]图中：1支撑杆，2固定端平台，3连接轴，4深沟球轴承，5气动肌肉，6万向联轴节， 7前臂平台，8孔用弹性挡圈，9圆螺母，10空气压缩机，11气动三联件，12气管，13气动肌肉 控制单元(SPCU控制器)。 具体实施方式 [0012]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 [0013]从图1,2,3所示，该仿生关节主要由四部分组成：固定端平台2，前臂平台7，气动 肌肉5与支撑杆1。 [0014]从图1,2,3所示，六个万向联轴节6，其中三个通过连接轴3的销孔端与固定端平 台2相连，其余三个通过连接轴3的销孔端与前臂平台7相连。连接轴3安装方式为：分别 在两个平台加工三个120°均布的阶梯孔，深沟球轴承4安装于阶梯孔中，并用孔用弹性挡 圈8固定深沟球轴承4的外圈：连接轴3插入两个平台的阶梯孔中与深沟球轴承4配合安 装，使其轴肩与深沟球轴承4的内圈接触：圆螺母9安装在连接轴3的细牙螺纹端，并与深 沟球轴承4的内圈接触。 [0015]从图2和图3所示，支撑杆1的一端与固定端平台2的中心通过螺纹固连，另一端 通过万向联轴节6和连接轴3与前臂平台相连接。从图3所示，连接轴3安装方式为：在前 臂平台中心加工一阶梯孔，深沟球轴承4安装于阶梯孔中，并用孔用弹性挡圈8固定深沟球 轴承4的外圈：连接轴3插入两个平台的阶梯孔中与深沟球轴承4配合安装，使其轴肩与深 沟球轴承4的内圈接触；圆螺母9安装在连接轴3的细牙螺纹端，并与深沟球轴承4的内圈 接触。 [0016]从图4所示，气动肌肉仿生关节系统主要包括：气动肌肉仿生关节、空气压缩机 10、气动三联件11、气管12、气动肌肉控制单元SPCU控制器13。 [0017]气动肌肉仿生关节工作原理为：将空气压缩机10启动，则空气压缩机10中的气

CN104029217A 说明书 3/3页 源通过气动三联件11将空气稳压和过滤，输送到气动肌肉控制单元SPCU13内，P℃发出指 令，通过脉冲信号或者输入程序实现控制气阀启闭，进而控制气动肌肉5内空气的流动，调 节内部气压：橡胶管在充气后膨胀，并作用于编织网，使其编织角增加，带动气动肌肉收缩。 通过不同方式驱动气动肌肉，可实现前臂平台三轴旋转运动

CN104029217A 说明书附图 1/4页 5 4 图1 6

CN104029217A 说明书附图 2/4页 3 2 AA 3 9 4 8 6 图2

CN104029217A 说明书附图 3/4页 1 3 B B—B 3 9 4 8 图3

CN104029217A 说明书附图 4/4页 2 5 13 2 图4 9