基於介電彈性體作動器的仿人肩關節的製作方法

2023-05-26 08:07:02

本發明專利涉及肩關節技術領域，屬於一種基於介電彈性體作動器的仿人肩關節。

背景技術：

仿人機器人是模仿人的形態和行為而設計製造的機器人，自1959年美國製造了第一臺工業機器人，在半個世紀內，機器人的發展經歷了工業機器人、遙控機器人、智慧機器人和仿生機器人四個階段。仿人機器人必須擁有類似人類上肢的兩條機械臂，並在臂的末端有兩指或多指手部。這樣不僅可以滿足一般的機器人操作需求，而且可以實現雙臂協調控制和手指控制以實現更為複雜的操作。仿人機器人目前在軍事、醫療及服務領域都有廣泛的應用，其不僅可以代替代替人類完成危險的工作，還可以幫助殘障人士完成日常的生活操作。目前仿人機械臂的驅動裝置主要採用電機與減速器配合的方案，機器人的多自由度運動採用的是多電機聯合實現，大大增加了機器人的質量，使得傳動機構更加複雜，也降低了安全性。專利申請號為201510311779.3，名稱為《一種基於多種人工肌肉混合驅動的仿人機械臂》的中國專利，發明的機械臂的肩關節有兩個自由度，通過電機齒輪傳動實現機械臂的整體俯仰及偏轉運動，結構緊湊，傳動效率高，但對製造和安裝精度要求比較高，運動時可能會產生震動，降低設備的使用壽命。專利申請號為201510016217.6，名稱為《一種基於人體工程學的七自由度仿人型機械臂系統》的中國專利，發明的機械臂構型及尺寸與人體結構尺寸相近，類似於人臂的結構特徵，能夠很好地模擬人臂運動。該機械臂採用液壓驅動，推力大，調速方便，但可靠性差，維修保養不方便。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種結構簡單、體積小、質量輕、安裝方便，可用於多種仿人機器人的一種基於介電彈性體作動器的仿人肩關節，該介電彈性體作動器可以直接對外做功、無需傳動機構、工作平滑、無噪聲、環境適應性強、對溫度和溼度不敏感，可在多種複雜環境下工作。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：

一種基於介電彈性體作動器的仿人肩關節，其特徵在於：它包括肩關節接口(1)、肩關節支架(2)、上臂支架(3)、兩個上臂連杆(4、7)和兩個介電彈性體作動器(5、6)；該肩關節接口上有一個迴轉套筒(101)，用來連接安裝肩關節支架的前端，使肩關節支架能夠在肩關節接口內迴轉運動；該肩關節支架(2)呈u形，在該肩關節支架(2)的開口端內側對應位置設有兩個位於同一軸線上的套筒(201)，上臂支架的中心軸(301)安裝在這兩個套筒(201)內並且可以在套筒內旋轉；上臂支架的前端伸出兩個對稱布置的半球形凹槽，用來與連杆的上端球頭相接，連杆下端與介電彈性體作動器的輸出端安裝在一起；兩個作動器同時作用，可以控制肩關節的運動方向和運動角度

本發明專利還包括這樣一些結構特徵：

1、肩關節接口一端固定在機器人本體上，一端用於安裝連接肩關節支架；肩關節接口內安裝有滾動軸承，當肩關節支架的前後兩側受力不平衡時，肩關節支架便可繞著肩關節接口產生迴轉運動，即肩關節的前後伸展。

2、肩關節支架上開有兩個同軸線的套筒，套筒內安裝有滾動軸承，上臂支架的中心軸安裝在套筒內；當上臂支架的中心軸受到兩個同向的作用力時，上臂支架便會繞著肩關節支架轉動，即肩關節的左右擺動。

3、上臂支架通過兩個球面副與兩個上臂連杆相接，當兩個上臂連杆的作用力方向相同時，上臂支架的中心軸在肩關節支架內旋轉；當兩個上臂連杆的作用力方向相反時，上臂支架與肩關節支架之間保持固定不動，肩關節支架在肩關節接口內旋轉。

4、介電彈性體作動器的輸出端通過球面副與上臂連杆相連，經由上臂連杆將運動傳遞給上臂支架。

5、介電彈性體作動器在通電時能產生直線伸長，斷電後自動縮回；改變介電彈性體作動器輸入電壓的大小，可改變作動器的伸長量。

一種基於介電彈性體作動器的仿人肩關節的工作過程如下：當兩個介電彈性體作動器同時通電時，作動器同時伸長，輸出直線位移，上臂連杆將該位移傳遞給上臂支架的中心軸，上臂支架受到推力在肩關節支架的套筒內向外旋轉，即肩關節向外擺動，手臂外展；當兩個介電彈性體作動器同時斷電時，作動器縮回，上臂連杆下落，上臂支架的中心軸在肩關節支架的套筒內向內旋轉，即肩關節向內擺動，手臂收回。當只有前側的介電彈性體作動器通電時，前側上臂連杆上升，推動上臂支架的前側，上臂支架隨肩關節支架一起在肩關節接口內向前旋轉，即肩關節向前翻轉，手臂前伸。反之，當只有後側的介電彈性體作動器通電時，肩關節向後翻轉，手臂後伸。

本發明專利的優點在於：

1、結構簡單，安裝方便。

肩關節支架與肩關節接口和上臂支架間構成的兩個迴轉副，可實現肩關節的前後伸展與左右擺動，結構簡單，安裝方便。介電彈性體作動器可以直接對外做功，無需傳動機構，省去了傳統驅動方式的傳動系統，減少了能量損耗，提高了工作效率。

2、體積小，質量輕。

介電彈性體作動器由新型柔性材料介電彈性體薄膜卷繞而成，在電場激勵下能產生大幅度的尺寸變化，能量密度高，相較於同規格的電機驅動的肩關節有更高的功率密度比。與傳統驅動方式相比，介電彈性體作動器體積小，質量輕，極大地降低了肩關節的重量。

3、環境適應性強。

介電彈性體作動器由電場激勵產生直線位移，工作平滑，無噪聲，對溫度和溼度不敏感，受環境影響很小，可以在多種複雜環境下工作，提高了肩關節的環境適應性。

附圖說明

圖1是本發明的三維結構示意圖。

圖2是發明的結構主視圖。

具體實施方式

參見圖1、圖2所示：一種基於介電彈性體作動器的仿人肩關節它包括肩關節接口1、肩關節支架2、上臂支架3、兩個上臂連杆4、7和兩個介電彈性體作動器5、6；該肩關節接口上有一個迴轉套筒101，用來連接安裝肩關節支架的前端，使肩關節支架能夠在肩關節接口內迴轉運動；該肩關節支架2呈u形，在該肩關節支架2的開口端內側對應位置設有兩個位於同一軸線上的套筒201，上臂支架的中心軸301安裝在這兩個套筒201內並且可以在套筒內旋轉；上臂支架的前端伸出兩個對稱布置的半球形凹槽，用來與連杆的上端球頭相接，連杆下端與介電彈性體作動器的輸出端安裝在一起；兩個作動器同時作用，可以控制肩關節的運動方向和運動角度

肩關節接口1如圖1所示，肩關節接口1一端固定在機器人本體上，一端用於安裝連接肩關節支架2。肩關節接口內安裝有滾動軸承，當肩關節支架2的左右兩側受力不平衡時，肩關節支架2便可繞著肩關節接口1產生迴轉運動，即肩關節的前後伸展。

肩關節支架2如圖1所示，肩關節支架2上開有兩個同軸線的套筒201，套筒201內安裝有滾動軸承，上臂支架3的中心軸安裝在套筒內。當上臂支架3的中心軸受到兩個同向的作用力時，上臂支架3便會繞著肩關節支架2轉動，即肩關節的左右擺動。

上臂支架3如圖1所示，上臂支架3通過兩個球面副與兩個上臂連杆4、7相接，當兩個上臂連杆的作用力方向相同時，上臂支架3的中心軸301在肩關節支架2內旋轉。當兩個上臂連杆的作用力方向相反時，上臂支架3與肩關節支架2之間保持固定不動，肩關節支架2在肩關節接口1內旋轉。

介電彈性體作動器5、6如圖1所示，介電彈性體作動器5、6的輸出端通過球面副與上臂連杆4、7相連，經由連杆將運動傳遞給上臂支架。

介電彈性體作動器在通電時能產生直線伸長，斷電後自動縮回；改變介電彈性體作動器輸入電壓的大小，可改變作動器的伸長量。

本發明的工作原理是：當兩個介電彈性體作動器5、6同時通電時，作動器同時伸長，輸出直線位移，上臂連杆4、7將該位移傳遞給上臂支架3的中心軸301，上臂支架3受到推力作業在肩關節支架2的套筒201內向外旋轉，即肩關節向外擺動，手臂外展。當兩個介電彈性體作動器5、6同時斷電時，作動器縮回，上臂連杆4、7下落，上臂支架3的中心軸在肩關節支架2的套筒內向內旋轉，即肩關節向內擺動，手臂收回。當只有前側的介電彈性體作動器5通電時，前側上臂連杆4上升，推動上臂支架3的前側，上臂支架3隨肩關節支架2一起在肩關節接口1內向前旋轉，即肩關節向前翻轉，手臂前伸。反之，當只有後側的介電彈性體作動器6通電時，肩關節向後翻轉，手臂後伸。

以上所述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，任何基於本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬於本發明保護範圍之內。