专利名称：复合驱动多种类关节的姿态表现机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合驱动多种类关节的姿态表现机器人，此机器人采用 气泵为动力源，以气动膨胀肌肉和气缸牵引绳线等多种驱动方式，驱动各种 关节的转动；作为用于第三产业的服务类机器人，具体可作为时装表现的 模特机器人、交通指挥的交警机器人、现场接待的服务机器人和家庭应用的 家务娱乐机器人，属于机器人、机电一体化的应用技术领域。
背景技术：
现有的机器人均采用电动装置(如电动机、电磁铁)，电动装置直接作用 转动或直线移动。本发明机器人为关节型"类人"式机器人，采用气压作用， 以气动膨胀肌肉直接驱动各种关节转动，或气缸驱动牵引绳、牵引绳再带动 各种关节转动。关节的种类共有7种，机器人结构类似于人类，关节分布在 机器人的颈部、腰部、髋部、膝部、脚踝、肩部、肘部、腕部、指根部和指 节间等十个部位，能够完成更多的姿态表现。
发明内容
本发明复合驱动多种类关节的姿态表现机器人以压縮空气为动力，因这 种"类人"式机器人受空间的限制，采用气动膨胀肌肉直接驱动、和气缸牵 引的绳线(类似人类的肌腱)复合驱动等两种驱动方式；关节有一个转动自 由度关节、二个转动自由度关节和三个转动自由度关节等三种转动自由度形 式；涉及类似于人类的关节有颈部关节l、腰关节2、髋关节3、膝关节4、 脚踝关节5、肩关节6、肘关节7、腕关节8、掌指关节9和指关节10等十个 部位的关节。
本发明的主要解决方案是这样实现的
如附图1所示，姿态表现机器人的头部通过颈部关节1与脊椎骨连接， 脊椎骨的下端与腰关节2连接，腰关节2的下端安装一根与腰关节2垂直的 横髋骨；横髋骨的两端各形成一个下肢，即横髋骨的两端各连接一个髋关 节3，每个髋关节3的下端都连接大腿骨，大腿骨下端连接膝关节4，膝关节4的下端连接小腿骨，小腿骨的下端连接脚踝关节5，脚踝关节5的下端连接 脚掌骨架；在脊椎骨上部、颈部关节1的下面，有肩胛骨与脊椎骨垂直安装， 肩胛骨的两端各形成一个上肢，亦即肩胛骨的两端各安装一个肩关节6， 每个肩关节6的下端都与上臂骨连接，上臂骨的下端安装肘关节7，肘关节7 的下端与下臂骨连接，下臂骨的下端安装一个腕关节8，腕关节8的下端安 装手掌骨架，五个手指均通过掌指关节9与手掌骨架连接，手指骨之间通过 指关节10连接;复合驱动多种类关节的姿态表现机器人这十个部位的关节分 别归纳为七种结构的关节，具体是
颈部关节1、腰关节2、髋关节3和肩关节6都是三个转动自由度肌肉 关节a，脚踝关节5是三个转动自由度弹簧肌肉关节b，膝关节4是一个转动 自由度弹簧肌肉关节c，肘关节7是一个转动自由度弯曲肌肉关节d，腕关节 8是三个转动自由度绳线牵引关节e，掌指关节9是两个转动自由度绳线牵引 关节f,指关节10是一个转动自由度绳线牵引关节g。
如附图2所示，工作平台a5和底座平台a4均为等边三角形，在三个角 处再切除三个相同的小等边三角形，形成具有三长边、三短边的六边形；底 座平台a4的短边两端各安装有一个球铰a2，这两个球铰a2分别再与两个膨 胀肌肉al的一端连接，这两个膨胀肌肉al的另一端分别再与另外 个球铰 a2连接，这个球铰a2固定在工作平台a5的长边两端，此关节共有六个膨胀 肌肉al和十二个球铰a2;在底座平台a4和工作平台a5的外接圆岡心处垂 直地连接了球形万向节a3，由上述零件形成三个转动自由度肌肉关节a。
如附图3、 4所示，纵截面形状是"V" 、 "U"、 " Q "形状(附图4只给 出"V"形结构)的弹性波纹管a8靠旋夹套a7夹紧在头座a6和尾座a9的波 纹卡口上，头座a6和尾座a9的端面上均有3个安装球铰a2的螺纹孔，弹性 波纹管a8、头座a6和尾座a9构成的封闭空腔；气体通过直角宵接头a10进 入弹性波纹管a8的空腔，直角管接头al0螺纹连接在尾座a9上，直角管接 头al0与尾座a9之间有密封圈all密封；由上述零件构成膨胀肌肉al 。
其中球铰a2结构如附图5所示，球形万向节a3的安装如附图6所示。
如附图7所示，工作平台b5和底座平台b4均为等边三角形，在三个角 处再切除三个相同的小等边三角形，形成具有三长边、三短边的六边形；底 座平台b4的短边两端各安装有一个球铰b2，这两个球铰b2分别再与两个膨胀肌肉bl的一端连接，这两个膨胀肌肉bl的另一端分别再与另外一个球铰
b2连接，这个球铰b2固定在工作平台b5的长边两端，此关节共有六个膨胀 肌肉bl和十二个球铰b2;在底座平台b4和工作平台b5的外接圆圆心处垂 直地连接球形万向节b3，由上述零件形成三个转动自由度弹簧肌肉关节b。
如附图8所示，纵截面形状是"V" 、 "U"、 " Q "形状(附图8只给出 "V"形结构)的弹性波纹管b8靠旋夹套b7夹紧在头座b6和尾座b9的波 纹卡口上，头座b6和尾座b9的端面上均有3个安装球铰b2的螺纹孔，弹性 波纹管b8、头座b6和尾座b9构成的封闭空腔；直角管接头MO螺纹连接在 尾座b9上，直角管接头bl0与尾座b9间有密封圈bll密封，气体通过直角 管接头MO进入弹性波纹管b8的空腔；压縮弹簧b12安放在头座b6和尾座 b9的中间孔内，由上述零件构成弹簧肌肉bl。
在装配三个转动自由度弹簧肌肉关节b时，每个弹簧肌肉M内的压縮 弹簧bl2均为压縮状态，起缓冲减震作用。
如附图9所示，纵截面形状是"V" 、 "U"、 " Q "形状(附图9只给出 "V"形结构)的弹性波纹管c8靠旋夹套c7夹紧在头座c6和尾座c9的波纹 卡口上，头座c6和尾座c9的端面上均有安装铰链c4的螺纹孔，弹性波纹管 c8、头座c6和尾座c9构成的封闭空腔；气体通过管接头clO进入弹性波纹 管c8的空腔，管接头cl0螺纹连接在尾座c9上，管接头cl0与尾座c9之间 有密封圈cll密封；压縮弹簧cl2安放在头座b6和尾座b9的中间孔内；限 位板cl靠螺钉固定在活页铰链c2的活页上，保证活页铰链c2在伸直位置时 不能再逆时针转动；活页铰链c2的芯轴中间装有扭弹簧c3，活页铰链c2的 两页端部分别固定在方板c5上，两个方板c5均与铰链c4的一个支架固定安 装，两个铰链c4的另一个支架分别安装在头座c6和尾座c9的端面上，铰链 c4支架和头座c6、铰链c4支架和尾座c9的安装端面之间都有密封垫c13， 由上述零件形成一个转动自由度弹簧肌肉关节c。
活页铰链c2结构如附图IO所示，附图11为扭弹簧c3的右视图，附图 12为扭弹簧c3的主视图。
如附图13、 14所示，纵截面形状是"V" 、 "U"、 " Q "形状(附图14 只给出"V"形结构)的弹性波纹管d7的两端分别靠卡箍d4夹紧在头座dl 和尾座d8的波纹卡口上，弹性波纹管d7、头座dl和尾座d8构成的封闭空
6腔；气体通过直角管接头dll进入弹性波纹管d7的空腔，软管d10接在直角 管接头dll上，直角管接头dll螺纹连接在尾座d8上，直角管接头dll和尾 座d8之间有密封圈d9密封；活页铰链d6的两个活页端部由螺钉固定在头座 dl和尾座d8上，活页铰链d6和头座dl、及活页铰链d6和尾座d8之间均夹 有调整垫d2和骨骼d3，更换调整垫d2可以调节弹性波纹管d7作用在活页 铰链d6的弯矩；活页铰链d6的芯轴上装有扭弹簧d5，扭弹簧d5自由状态 时，关节是伸直的，由上述零件形成一个转动自由度弯曲肌肉关节d。
如附图15所示，上平台e7和下平台e5均为等边三角形，在三个角处再 切除三个相同的小等边三角形，形成具有三长边、三短边的六边形； 一对球 铰el分别用螺钉安装在上平台e7的长边两端；两根牵引绳e2分别固定在这 对球铰el上，这两根牵引绳e2的另一端分别穿过下平台e5上对应短边两端 的导向孔e3,再分别固定在微型气缸e6的活塞杆上；此关节共有三对(六 个)球铰el、三对(六根)牵引绳e2和六个微型气缸e6;在上平台e7和下 平台e5的外接圆圆心处垂直地连接了球形万向节e4，由上述零件形成三个 转动自由度绳线牵引关节e。
牵引绳e2与球铰el固定连接形式如附图16所示，牵引绳e2穿过球铰 el的孔、并用球头端的紧定螺钉固定。
如附图17所示，球铰f2分别用螺钉安装在小圆台fl上，三个球铰f2 在小圆台fl上120°对称安装；牵引绳fi穿过球铰f2的孔、并用球头端的 紧定螺钉固定在孔内，与这个球铰f2连接的牵引绳f3的另一端分别穿过大 圆台f5上120°对称分布的所对应的导向孔，再固定在微型气缸f6的活塞杆 上；此关节共有三个球铰f2、三个牵引绳f3和三个微型气缸f6;在小圆台 fl和大圆台f5的圆心处垂直地连接了球形万向节f4，由上述零件形成两个 转动自由度绳线牵引关节f。
如附图18所示，导轮g5安装在活页铰链g7的芯轴的中间部位，两个 相同的扭弹簧g6分别安装在活页铰链g7的芯轴上、导轮g5的两侧；牵引绳 gl的一端穿过支架g8上的孔后用锁卡g2锁紧，支架g8用螺钉固定在活页 铰链g7的一侧活页上；牵引绳gl的另一端经过导轮g5导向后、穿过微型气 缸g3的活塞杆上的孔后用锁卡g2锁紧；包在微型气缸g3缸套外的夹紧套 g4用螺钉将微型气缸g3固定在活页铰链g7的另一侧活页上，由上述零件形成一个转动自由度绳线牵引关节g。
本发明与已有技术相比具有以下优点-
本发明复合驱动多种类关节的姿态表现机器人以压縮空气为动力，驱动 方式采用膨胀肌肉直接驱动、和气缸牵引下的绳线间接驱动等两种驱动方式; 多种类关节有一个转动自由度关节、二个转动自由度关节和三个转动自由度 关节等三种自由度形式。涉及类似于人类的关节有颈部关节l、腰关节2、 髋关节3、膝关节4、脚踝关节5、肩关节6、肘关节7、腕关节8、掌指关节 9和指关节10等十种种类；综合起来，姿态表现机器人的关节共有七种结构。
复合驱动多种类关节的姿态表现机器人的关节多，自由度多，因此表现 的姿态动作多；以压縮空气为动力，采用膨胀肌肉直接驱动、和气缸牵引下 的绳线间接驱动，行为动作敏捷，控制系统简单，结构成本低廉；采用锂电 池电源、低压气泵工作时，对人身安全危害很小。
图1为复合驱动多种类关节的姿态表现机器人的结构简图 图2为姿态表现机器人的三个转动自由度肌肉关节a的结构简图 图3为姿态表现机器人的三个转动自由度肌肉关节a的膨胀肌肉al的 A-A剖视图
图4为姿态表现机器人的三个转动自由度肌肉关节a的膨胀肌肉al的主
视图
图5为姿态表现机器人的三个转动自由度肌肉关节a的球铰a2的结构图 图6为姿态表现机器人的三个转动自由度肌肉关节a的球形万向节a3 的安装图
图7为姿态表现机器人的三个转动自由度弹簧肌肉关节b的结构简图 图8为姿态表现机器人的三个转动自由度弹簧肌肉关节b的弹簧肌肉bl 的结构图
图9为姿态表现机器人的一个转动自由度弹簧肌肉关节c的结构简图 图10为姿态表现机器人的一个转动自由度弹簧肌肉关节c的活页铰链 c2的结构图
图11为姿态表现机器人的一个转动自由度弹簧肌肉关节c的扭弹簧c3的右视图
图12为姿态表现机器人的一个转动自由度弹簧肌肉关节c的扭弹簧c3 的主视图
图13为姿态表现机器人的一个转动自由度弯曲肌肉关节d的A-A剖视
图
图14为姿态表现机器人的一个转动自由度弯曲肌肉关节d的主视图 图15为姿态表现机器人的三个转动自由度绳线牵引关节e的结构简图 图16为姿态表现机器人的三个转动自由度绳线牵引关节e的牵引绳e2 与球铰el固定连接形式
图17为姿态表现机器人的两个转动自由度绳线牵引关节f的结构简图 图18为姿态表现机器人的一个转动自由度绳线牵引关节g的结构图
具体实施方式
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下面为本发明的工作原理及工作过程
如附图2所示的三个转动自由度肌肉关节a，间隔的三个膨胀肌肉al同 时充气，其余的三个膨胀肌肉al同时放气，则工作平台a5相对于底座平台 a4旋转。任意一个、或两个相邻的膨胀肌肉al同时充气，其余的膨胀肌肉 al响应地放气，则工作平台a5相对于底座平台a4、以球形万向节a3的球铰 链为中心转动；反之，保持六个膨胀肌肉al的内腔压力相同，则关节回复到 工作平台a5平行于底座平台a4、且没有相对转动的初始状态。
如附图7所示的三个转动自由度弹簧肌肉关节b，其工作原理与前述的 三个转动自由度肌肉关节a相同，只是其膨胀肌肉bl内多了压縮弹簧b12， 用于需要减震的脚踝关节。
如附图9所示的一个转动自由度弹簧肌肉关节c，气体进入弹性波纹管 c8的空腔，弹性波纹管c8直线膨胀伸长，从而克服扭弹簧c3的作用使活页 铰链c2逆时针转动，使关节伸直；限位板cl保证活页铰链c2在伸直位置时 不会再逆时针转动；弹性波纹管c8的空腔排气，靠扭弹簧c3的作用使活页 铰链c2顺时针转动，使关节弯曲。
如附图14所示的一个转动自由度弯曲肌肉关节d，气体进入弹性波纹管 d7的空腔，由于受到活页铰链d6的限制，弹性波纹管d7顺应性弯曲，使活
9页铰链d6克服扭弹簧d5的作用逆时针转动，使关节不断弯曲；弹性波纹管 d7的空腔不充气，则关节保持弯曲角度；反之，弹性波纹管d7的空腔排气， 靠扭弹簧d5的作用使关节伸直。
如附图15所示的三个转动自由度绳线牵引关节e,微型气缸e6牵引任 意一根、或两根相邻的牵引绳e2，其余的牵引绳e2相应地放松，则上平台 e7相对于下平台e5、以球形万向节e4的球铰链为中心转动；反之，六个微 型气缸e6的作用力相同，则关节回复到初始状态。间隔的三根牵引绳e2同 时被微型气缸e6牵引，其余的牵引绳e2同时相应地放松，则上平台e7相对 于下平台e5旋转。
如附图17所示的两个转动自由度绳线牵引关节f，微型气缸f6牵引任意 一根、或两根牵引绳f3，其余的牵引绳fi相应地放松，则小圆台fl相对于 大圆台f5、以球形万向节f4的球铰链为中心转动；反之，微型气缸f6作用 力相同，则关节回复到初始状态。
如附图18所示的一个转动自由度绳线牵引关节g，微型气缸g3的活塞 杆向缸内縮回，驱动牵引绳gl克服扭弹簧g6的作用力使关节伸直；微型气 缸g3的活塞杆伸出，放松牵引绳gl，靠扭弹簧g6的作用力使关节弯曲。
权利要求
1. 一种复合驱动多种类关节的姿态表现机器人，其特征是机器人的头部通过颈部关节(1)与脊椎骨连接，脊椎骨的下端与腰关节(2)连接，腰关节(2)的下端安装一根与腰关节(2)垂直的横髋骨；横髋骨的两端各形成一个下肢，即横髋骨的两端各连接一个髋关节(3)，每个髋关节(3)的下端都连接大腿骨，大腿骨下端连接膝关节(4)，膝关节(4)的下端连接小腿骨，小腿骨的下端连接脚踝关节(5)，脚踝关节(5)的下端连接脚掌骨架；在脊椎骨上部、颈部关节(1)的下面，有肩胛骨与脊椎骨垂直安装，肩胛骨的两端各形成一个上肢，亦即肩胛骨的两端各安装一个肩关节(6)，每个肩关节(6)的下端都与上臂骨连接，上臂骨的下端安装肘关节(7)，肘关节(7)的下端与下臂骨连接，下臂骨的下端安装一个腕关节(8)，腕关节(8)的下端安装手掌骨架，五个手指均通过掌指关节(9)与手掌骨架连接，手指骨之间通过指关节(10)连接；复合驱动多种类关节的姿态表现机器人这十个部位的关节分别归纳为七种结构的关节，具体是颈部关节(1)、腰关节(2)、髋关节(3)和肩关节(6)都是三个转动自由度肌肉关节(a)，脚踝关节(5)是三个转动自由度弹簧肌肉关节(b)，膝关节(4)是一个转动自由度弹簧肌肉关节(c)，肘关节(7)是一个转动自由度弯曲肌肉关节(d)，腕关节(8)是三个转动自由度绳线牵引关节(e)，掌指关节(9)是两个转动自由度绳线牵引关节(f)，指关节(10)是一个转动自由度绳线牵引关节(g)。
2. 根据权利要求1所述姿态表现机器人的三个转动自由度弹簧肌肉关 节(b)，其特征是工作平台(b5)和底座平台(b4)均为等边三角形，在 三个角处再切除三个相同的小等边三角形，形成具有三长边、三短边的六边 形；底座平台(b4)的短边两端各安装有一个球铰(b2)，这两个球铰(b2) 分别再与两个膨胀肌肉(M)的一端连接，这两个膨胀肌肉(bl)的另一端 分别再与另外一个球铰(b2)连接，这个球铰(b2)固定在工作平台(b5) 的长边两端，此关节共有六个膨胀肌肉(bl)和十二个球铰(b2);在底座平 台(b4)和工作平台(b5)的外接圆圆心处垂直地连接球形万向节(b3)。
3. 根据权利要求2所述三个转动自由度弹簧肌肉关节(b)的膨胀肌肉(bl)，其特征是纵截面形状是"V" 、 "U"、 "Q"形状的弹性波纹管(b8)靠旋夹套(b7)夹紧在头座(b6)和尾座(b9)的波纹卡口上，头座 (b6)和尾座(b9)的端面上均有三个安装球铰(b2)的螺纹孔，弹性波纹 管(b8)、头座(b6)和尾座(b9)构成的封闭空腔；直角管接头(b10)螺 纹连接在尾座(b9)上，直角管接头(b10)与尾座(b9)间有密封圈(bll) 密封；压縮弹簧(bl2)安放在头座(b6)和尾座(b9)的中间孔内。
全文摘要
本发明涉及一种复合驱动多种类关节的姿态表现机器人，此机器人采用气泵为动力源，以气动膨胀肌肉和气缸牵引绳线等多种驱动方式，驱动多种结构的关节的转动，属于机器人、机电一体化的应用技术领域。类似于人类，关节分布在机器人的颈部、腰部、髋部、膝部、脚踝、肩部、肘部、腕部、指根部和指节间等十个部位；这些部位的关节归纳为7种结构的关节，即三个转动自由度肌肉关节a，三个转动自由度弹簧肌肉关节b，一个转动自由度弹簧肌肉关节c，一个转动自由度弯曲肌肉关节d、三个转动自由度绳线牵引关节e，两个转动自由度绳线牵引关节f，一个转动自由度绳线牵引关节g。此机器人可作为模特机器人、交警机器人、服务机器人和家务娱乐机器人。
文档编号B25J3/00GK101439513SQ20071019036
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月19日 优先权日2007年11月19日
发明者兵 吕, 张秋菊, 军 章 申请人:江南大学