一種基于多種人工肌肉混合驅動的仿人機械臂的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于多種人工肌肉混合驅動的仿人機械臂，其屬于機器人領域、仿生學領域及智能材料領域。
【背景技術】
[0002]模仿人類手臂功能的機械臂目前在軍事、醫(yī)療及服務等領域都獲得了一定的應用，其不僅可以代替人類在危險的環(huán)境下進行作業(yè)，亦可以幫助殘障人士完成日常的行為動作。但目前仿人機械臂的驅動裝置主要采用電機與減速機構配合的方案，機器人的多自由度運動采用的是多電機聯(lián)動實現(xiàn)，從而大大增加了機器人重量，降低了安全性，也使得傳動機構更加復雜化。在提高機械臂驅動裝置的功率密度比方面，國內(nèi)外主要集中在對剛性驅動的研宄上，且主要以縮小冷卻系統(tǒng)體積、提高電機轉速等方式達到這一目的。然而由于傳統(tǒng)電機功率密度隨著體積的減小而迅速降低，又由于傳動誤差和摩擦力的存在，使得在提高驅動系統(tǒng)的功率密度和整體響應性能方面受到限制。
[0003]此外，仿生結構設計也是高性能仿生柔順驅動技術的重要方面，目前的仿人機械臂設計思想基本是用機械設計的原理和理論，仿照生物骨骼結構的功能和外形進行設計，但生物運動離不開肌肉系統(tǒng)，需要綜合考慮肌肉-骨骼系統(tǒng)的仿生設計。
[0004]目前國內(nèi)外均對人工肌肉驅動機械臂進行了大量的研宄，例如德國FESTO公司研制的AirArm，其由轉子、上臂、前臂及末端夾持器組成，共由12根氣動肌肉驅動，實現(xiàn)6個自由度；日本中央大學精密機械學院亦基于氣動肌肉研制了 7自由度人工肌肉手臂，其由肩部、肘部及腕部組成，共由16根氣動肌肉進行驅動。國內(nèi)方面，浙江理工大學金英子研制了一種基于氣動人工肌肉的自適應多自由度仿人機械手(中國發(fā)明專利，CN104589310 A)，其由機械大臂、機械小臂、手以及5個手指組成，由多個氣動肌肉群進行驅動；此外，金英子亦研制了一種基于氣動肌肉的六自由度柔性機械手臂(中國發(fā)明專利，CN 101817181 A)，其由固定平臺、肩關節(jié)、肩關節(jié)驅動、肘關節(jié)、肘關節(jié)驅動、腕關節(jié)和腕關節(jié)驅動組成，共由14根氣動肌肉進行驅動；南京航空航天大學王揚威研制了一種形狀記憶合金絲驅動的柔性機械臂(中國發(fā)明專利，CN 102962850 A)，其利用SMA絲作為動力源，可模仿章魚腕的柔性彎曲和收縮運動。
[0005]目前研制的人工肌肉驅動機械臂尚還采用單一的人工肌肉材料作為驅動器，然而不同的人工肌肉均有不同的優(yōu)點特性，利用不同的人工肌肉材料對機械臂進行混合驅動，能在很大程度上提高機械臂的結構及驅動性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明通過模仿人體上肢骨骼-肌肉系統(tǒng)，利用氣動肌肉(PAM)、形狀記憶合金(SMA)及IPMC作為驅動器，從而使所設計的仿人機械臂擁有結構簡單、功率密度比大、安全性強、靈活性好等特點。
[0007]本發(fā)明所采用的技術方案: 通過模仿人體上肢肌肉-骨骼系統(tǒng)，根據(jù)GB10000-88、GB/T13547-92，以身高168cm中國成年男子的上臂尺寸及關節(jié)運動范圍為標準，分別設計氣動肌肉仿生關節(jié)、形狀記憶合金仿生腕關節(jié)以及IPMC仿生手。各關節(jié)結構如下:
(O仿生肘關節(jié)采用1-RT-3-RTPTR并聯(lián)機構，其由固定平臺、運動平臺、支撐桿、虎克鉸、連接小軸及PAM等組成，其中固定平臺安有3個虎克鉸、運動平臺安有4個虎克鉸，每個虎克鉸通過連接小軸與平臺相連；3根PAM的兩端分別通過虎克鉸與固定平臺及運動平臺相連；支撐桿下端通過螺紋與固定平臺固連，上端通過虎克鉸與運動平臺相連。分別通過對3根氣動肌肉進行充放氣控制，進而實現(xiàn)運動平臺的屈/伸、外展/內(nèi)收以及旋內(nèi)/旋外3個旋轉自由度。
[0008](2)仿生腕關節(jié)由運動平臺、手腕支架、滑輪、萬向聯(lián)軸節(jié)及SMA驅動器等組成。其運動平臺通過萬向聯(lián)軸節(jié)與手腕支架相連；4個SMA驅動器分別通過螺栓與手腕支架四周的滑槽相連；運動平臺四周配有定位過孔，并通過魚線分別與4個SMA驅動器相連，并通過滑輪實現(xiàn)對魚線的張緊；相對的兩個SMA驅動器相互配合，進行拮抗作用，通過對SMA驅動器施加電壓，從而實現(xiàn)運動平臺的屈/伸及外展/內(nèi)收2個旋轉自由度。
[0009](3)仿生手由手掌外側板、手掌內(nèi)側板、手掌隔板、滑輪、掌指連接結構、拇指、食指、中指、環(huán)指、IPMC驅動器、SMA驅動器等組成，其中食指、中指及環(huán)指由近指節(jié)、中指節(jié)及遠指節(jié)組成，拇指由近指節(jié)與遠指節(jié)組成。手掌外側板、內(nèi)側板與隔板之間通過長螺栓進行連接；掌指連接結構通過螺栓與手掌外側板及內(nèi)側板固連；近指節(jié)與掌指連接結構、中指節(jié)與近指節(jié)、遠指節(jié)與中指節(jié)均采用銷軸連接；SMA驅動器通過魚線分別與中指節(jié)及近指節(jié)的定位過孔相連；IPMC驅動器放置于遠指節(jié)內(nèi)部凹槽內(nèi)。通過對IPMC驅動器施加電壓，實現(xiàn)遠指節(jié)的屈/伸運動；通過對SMA驅動器施加電壓，并與復位彈簧組成拮抗結構，從而實現(xiàn)中指節(jié)和近指節(jié)的屈/伸運動。
[0010]除上述部分，機械臂還包括電機驅動的云臺，其由云臺上部及云臺下部等組成，將云臺上部凸緣插進安裝在云臺下端的滾動軸承內(nèi)。2個電機分別通過螺栓與云臺相連，通過驅動電機及齒輪傳動從而帶動仿生肘、腕和手整體實現(xiàn)俯仰及偏轉運動。
[0011]各部分之間的連接方式如下:PAM仿生肘關節(jié)固定平臺通過軸與云臺上部相連；SMA仿生腕關節(jié)手腕支架通過螺栓與PAM仿生肘關節(jié)運動平臺相連；IPMC仿生手手掌外側通過螺紋與SMA仿生腕關節(jié)運動平臺固連。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有仿人機械臂相比具有結構簡單、功率密度比大、安全性強等特點，此外通過模仿人體上肢骨骼-肌肉系統(tǒng)，使得機械臂擁有更好的靈活性及仿生學特點。該發(fā)明可被廣泛應用于服務醫(yī)療領域中，從而幫助殘障人士完成取物等日常行為活動；此外，其亦可被安裝到移動機器人上，應用于排險救援、物資搬運等軍事任務中，從而在高危環(huán)境中代替人類完成部分工作。
【附圖說明】