一種基於氣動肌肉混聯的仿生關節的製作方法

2023-12-08 01:01:41 3

本發明屬於仿生機器人技術領域，涉及一種模擬關節的混聯繫統。

背景技術：

氣動肌肉與人的肌肉在柔順性方面很類似，另外氣動肌肉通過充放氣收縮提供拉力進行工作，人的肌肉則通過吸收氧氣和水，排除二氧化碳工作，同時兩者還有等壓、等張、等長等相類似的工作狀態。氣動肌肉可以進一步用於精度高、輸出力大的並聯平臺模擬人的關節。

中國專利200610053005.6提出一種中間為固定軸，周邊均勻分布三根氣動肌肉驅動的並聯平臺，可以實現固定平臺的橫搖、縱搖。

中國專利201410267007.x在中國專利200610053005.6的基礎上去掉中間杆，僅保留了三根均勻分布氣動肌肉，可以實現橫搖、縱搖和升沉運動。

中國專利201510665545.9提出一種由六根均勻分布的氣動肌肉驅動固定平臺具有6個自由度。

以上均不能較好的模擬人的關節和肌肉分布狀態。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有的技術缺陷，提供了一種基於氣動肌肉混聯的仿生關節，本發明結構緊湊，乾淨、防爆等。

為了實現上述目的，本發明採取的技術方案是：

基於氣動肌肉混聯的仿生關節，其包括：底座1、中間平臺7、上端平臺10、多關節氣動肌肉和單關節氣動肌肉，所述的上端平臺10和所述的底座1之間連接所述的多關節氣動肌肉，所述的上端平臺和所述的中間平臺7之間、所述的中間平臺7和所述的底座1之間均連接所述的單關節氣動肌肉。

進一步的，所述的多關節氣動肌肉為3個，所述的上端平臺10和所述的底座1之間、所述的中間平臺7和所述的底座1之間的所述的單關節氣動肌肉均為3個。

更進一步的，所述的仿生關節還包括下端支撐杆6和上端支撐杆9，所述的下端支撐杆6一端與所述的底座1連接，另一端與所述的中間平臺7連接；所述的上端支撐杆9的一端與中間平臺7連接，另一端與所述的上端平臺10連接。

更進一步的，當所述的底座1固定，所述的中間平臺7、上端平臺10運動時，各部件的連接關係進一步如下：

所述的單關節氣動肌肉和多關節氣動肌肉與所述的底座1、中間平臺7、上端平臺10均為可轉動連接，所述的下端支撐杆6與所述的底座1為固定連接，另一端與所述的中間平臺7可轉動連接；所述的上端支撐杆9的一端與中間平臺7固定連接，另一端與所述的上端平臺10可轉動連接。

一種控制上述權利要求所述的基於氣動肌肉混聯的仿生關節的控制系統，還包括

消聲器19、消聲罐20、高速開關閥閥組21、舵機控制器22、樹莓派23、計算機24、數據採集卡25、氣動三聯體26、保壓罐27、傾角傳感器28、壓力傳感器29；

所述的氣動三聯體26、所述的保壓罐27、所述的高速開關閥閥組21的進氣閥、所述的單關節氣動肌肉和多關節氣動肌肉、所述的高速開關閥閥組21出氣閥、所述的消聲罐20、所述的消聲器19順次連接；所述的計算機、所述的樹莓派23、所述的舵機控制器22、所述的高速開關閥閥組21的線圈順次連接；

所述的單關節氣動肌肉、多關節氣動肌肉上連接所述的壓力傳感器29，所述的中間平臺7上連接所述的傾角傳感器28；所述的壓力傳感器29、所述的傾角傳感器28均與所述的數據採集卡25連接，所述的數據採集卡25與所述的計算機24連接。

本發明的有益效果是：

1.本發明利用多根氣動肌肉混聯驅動平臺，可以同時實現平臺由多個方向多根氣動肌肉協同驅動的運動；

2.本發明採用氣動肌肉並聯、並聯氣動肌肉的串聯、串聯氣動肌肉的並聯、多個方向氣動肌肉混聯的姿態控制；

3.本發明利用氣動肌肉驅動具有較好的柔順性、較大的功率/質量比、結構緊湊等優點。

附圖說明

圖1是仿人下肢大腿結構圖；

圖2是仿人下肢小腿結構圖；

圖3是氣動肌肉固定連接圖；

圖4是氣動系統控制原理圖；

圖中：底座1、多關節氣動肌肉一2、單關節氣動肌肉一3、多關節氣動肌肉二4、單關節氣動肌肉二5、下端支撐杆6、中間平臺7、單關節氣動肌肉四8、上端支撐杆9、上端平臺10、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12、多關節氣動肌肉三13、單關節氣動肌肉三14、球鉸一15、球鉸二16、螺栓一17、螺栓二18、消聲器19、消聲罐20、高速開關閥閥組21、舵機控制器22、樹莓派23、計算機24、數據採集卡25、氣動三聯體26、保壓罐27、傾角傳感器28、壓力傳感器29。

具體實施方式

如圖1、2、3所示，本發明基於氣動肌肉混聯仿生關節系統包括：底座1、多關節氣動肌肉一2、單關節氣動肌肉一3、多關節氣動肌肉二4、單關節氣動肌肉二5、下端支撐杆6、中間平臺7、單關節氣動肌肉四8、上端支撐杆9、上端平臺10、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12、多關節氣動肌肉三13、單關節氣動肌肉三14、球鉸一15、球鉸二16、螺栓一17、螺栓二18、消聲器19、消聲罐20、高速開關閥閥組21、舵機控制器22、樹莓派23、計算機24、數據採集卡25、氣動三聯體26、保壓罐27、傾角傳感器28、壓力傳感器29。

其中，單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14一端通過球鉸與底座1相連，另一端通過球鉸與中間平臺7相連，驅動中間平臺7橫搖、縱搖；下端支撐杆6通過螺栓二18與底座1相連，另一端通過球鉸二16與中間平臺7相連；單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12一端通過球鉸與中間平臺7相連，另一端通過球鉸與上端平臺10相連，驅動上端平臺10橫搖、縱搖；上端支撐杆9通過螺栓一17與中間平臺7相連，另一端通過球鉸一15與上端平臺10相連；多關節氣動肌肉一2、多關節氣動肌肉二4、多關節氣動肌肉三13一端通過球鉸與底座1相連，另一端通過球鉸與上端平臺10相連，驅動上端平臺10橫搖、縱搖；以上底座1、中間平臺7、上端平臺10的橫搖、縱搖均以固定底座1為例說明。

上端平臺10和底座1之間連接的多關節氣動肌肉、上端平臺10和中間平臺7之間以及中間平臺7和底座1之間的單關節氣動肌肉可以均勻分布，也可以不均勻分布。

在實際控制過程中，根據固定的平臺而變化，也可以根據實際情況去掉下端支撐杆6、上端支撐杆9。

根據實際工作的需要決定，中間平臺7是由均勻分布的單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14三根氣動肌肉或者單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12三根氣動肌肉或者單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12六根氣動肌肉協同控制或者某幾根以某種組合進行控制；同理底座1由單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、多關節氣動肌肉一2、多關節氣動肌肉二4、多關節氣動肌肉三13協同控制或者某幾根以某種組合進行控制，上端平臺10由單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12、多關節氣動肌肉一2、多關節氣動肌肉二4、多關節氣動肌肉三13協同控制或者某幾根以某種組合進行控制。

以驅動中間平臺7的單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12全部處於氣動控制為例說明基於氣動肌肉混聯的仿生關節控制系統工作原理，如圖4所示，氣動三聯體26出氣口連接保壓罐27，以保證向系統提供穩定氣壓的氣體，保壓罐27出氣口連接高速開關閥閥組21的進氣閥，高速開關閥閥組21進氣閥的出氣口分別連接單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12的進氣口，高速開關閥閥組21排氣閥的進氣口也分別連接單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12的出氣口，高速開關閥閥組21排氣閥的出氣口全部連接到消聲罐20的進氣口，消聲罐20的出氣口連接消聲器19，高速開關閥閥組21的線圈均與舵機控制器22的輸出接口相連，舵機控制器22的輸入接口與樹莓派23的輸出接口相連，樹莓派23的輸入接口與計算機24相連，單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12連接壓力傳感器29，壓力傳感器29連接數據採集卡25，中間平臺7連接傾角傳感器28，傾角傳感器28與數據採集卡25連接。數據採集卡25與計算機24相連。

以驅動中間平臺7的單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12同時工作為例本發明的工作過程如下：將氣動三聯體26的進氣口連接氣源，打開計算機23把wiringpi編寫的控制程序下載到樹莓派23，打開vs編寫的控制程序，輸入需要控制的量，樹莓派23經過舵機控制器22驅動高速開關閥閥組21以pwm佔空比控制的形式給單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12充氣，單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12開始充氣收縮，帶動中間平臺7開始運動，與此同時，壓力傳感器29測量到單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12的氣壓，傾角傳感器28測量到中間平臺7的角度變化，反饋給數據採集卡25，進一步傳輸給計算機24，圓柱坐標系法表示各氣動肌肉固定點的坐標，通過運動學反解算出單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12需要的長度，樹莓派23控制舵機控制器22，進一步控制高速開關閥閥組21改變pwm的佔空比，控制對單關節氣動肌肉一3、單關節氣動肌肉二5、單關節氣動肌肉三14、單關節氣動肌肉四8、單關節氣動肌肉五11、單關節氣動肌肉六12進行充氣或者放氣，以實現中間平臺7運動到預定的位姿。

本發明，通過控制各氣動肌肉實現仿生關節位姿的控制，可以動態形象的模擬人體關節模擬、運動模擬器、醫療康復器械的動作，並且可以實現精確的軌跡控制，本發明擁有其他氣動肌肉混聯仿生關節無法比擬的優勢。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式中的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案範圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。