本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种单气动人工肌肉混合驱动关节。
背景技术：
二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿生机器人”不仅能够弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，同时可以开辟新的产业，创造新的就业机会。近些年，随着科技的快速发展，仿生机器人领域的发展也相应取得了突飞猛进的进展，随着对仿生机器人的要求也越来越高。仿生机器人的仿生运动是否能够具有优良的特性，更多取决于各个驱动关节的性能。因而，随着仿生机器人领域的发展，对仿生机器人驱动关节结构的设计也相应的提出了更高的要求。
在目前的仿生机器人领域中，它们的运动驱动方式大多数还是以电机驱动为主，少部分使用人工肌肉的驱动方式驱动。使用电机驱动的方式优点是控制上相对人工肌肉简单精确，但由于电机是刚性部件，不能够准确的表示仿生机器人的各种柔顺特性，所以电机驱动的方式普遍存在仿生效果相对较差，自身重量相对较高的问题。而单纯的人工肌肉驱动在驱动方式上普遍能够有具有良好的仿生特性、柔顺性，自重低等优点，但是其在控制上又普遍存在精确度低，不易控制等缺点。因此从通过改变传统仿生机器人驱动关节的单一驱动方式从而达到提高仿生机器人驱动关节性能的手段是改进上述技术缺陷的一种思路。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种通过改变传统仿生机器人驱动关节的单一驱动方式，从而达到提高仿生机器人驱动关节性能的目的的单气动人工肌肉混合驱动关节。
为此，本发明技术方案如下：
一种单气动人工肌肉混合驱动关节，包括设置在一支架组件内的气动人工肌肉驱动机构、伺服电机驱动机构和动力输出机构；其中，所述支架组件包括外固定架、位于所述外固定架内侧的内固定架以及设置在所述内固定架内侧的l形连接架；所述气动人工肌肉驱动机构包括气动人工肌肉和半直齿轮；所述气动人工肌肉和所述半直齿轮水平设置在所述l形连接架的下侧和上侧；所述气动人工肌肉的充放气端和伸缩端分别固定在所述内固定架的侧板上和所述l形连接架的竖板上；所述半直齿轮分别与所述内固定架和所述l形连接架的横板转动连接；所述伺服电机驱动机构包括固定在所述内固定架上的伺服电机和安装在所述伺服电机输出轴上的半伞齿轮；所述动力输出机构包括转动轴、与所述半直齿轮啮合的直齿轮，以及与所述半伞齿轮啮合的伞齿轮；所述直齿轮和所述伞齿轮分别固定在所述转动轴的两端，所述转动轴竖直设置且两端与所述外固定架转动连接。
进一步地，所述内固定架的侧板上和所述l形连接架的竖板上各开设有一径向通孔；所述气动人工肌肉的充放气端插装在所述内固定架侧板上的径向通孔内并通过穿装在所述充放气端的且位于所述内固定架侧板两侧的内螺母和外螺母固定在所述内固定架上；所述气动人工肌肉的伸缩端插装在所述l形连接架竖板上的径向通孔内并通过穿装在所述伸缩端的且位于所述l形连接架竖板两侧的内螺母和外螺母固定在所述l形连接架上。
进一步地，在所述半直齿轮和所述内固定架上各开设有一个内设有滚动轴承的轴向通孔，使所述半直齿轮和所述内固定架之间通过插装在两个滚动轴承内的销轴形成转动连接；在所述半直齿轮和所述l形连接架的横板上各开设有一个内设有滚动轴承的轴向通孔，使所述半直齿轮和所述l形连接架的横板之间通过插装在两个滚动轴承内的销轴形成转动连接。
进一步地，所述转动轴竖直设置且，在所述外固定架的顶板和底板上各开设有一个内设有滚动轴承的轴向通孔，使所述转动轴通过将其两端端部分别插装在两个滚动轴承内与所述外固定架形成转动连接。
更进一步地，所述滚动轴承采用塑料自润滑轴承，实现减小运动摩擦力，提高关节的灵活性，减轻关节结构重量的目的。
进一步地，所述动力输出机构还包括动作输出轴；所述动作输出轴两端设有内径与所述转动轴外径相适应的弧形凹槽，使所述动作输出轴的端部能够可拆卸设置在所述转动轴的侧壁上。
该单气动人工肌肉混合驱动关节采用气动人工肌肉驱动机构和伺服电机驱动机构混合驱动方式作用于动力输出机构进行驱动，将气动人工肌肉材料轻质、载荷大、柔性好等优势与伺服电机的精度高、动作响应快等优势进行融合，实现在驱动的过程中二者以相互补偿的方式做出精确的柔顺控制，其相对于单一驱动机构具有承载能力更大、驱动精度更高、动作更平滑等良好的仿生特点。
附图说明
图1为本发明的单气动人工肌肉混合驱动关节的结构示意图；
图2为本发明的单气动人工肌肉混合驱动关节的正视图；
图3为本发明的单气动人工肌肉混合驱动关节的气动人工肌肉驱动机构与动力输出机构的连接结构示意图；
图4为本发明的单气动人工肌肉混合驱动关节的伺服电机驱动机构与动力输出机构的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1～2所示，该单气动人工肌肉混合驱动关节包括设置在一个支架组件内的气动人工肌肉驱动机构、伺服电机驱动机构和动力输出机构。
支架组件包括外固定架1、内固定架2和l形连接架9；具体地，外固定架1和内固定架2均为u形，其中，外固定架1开口朝向右侧设置，内固定架2开口朝向下方设置且位于外固定架1内；l形连接架9由横板和竖板构成并设置在内固定架2内。
如图3所示，气动人工肌肉驱动机构包括气动人工肌肉3和半直齿轮13；具体地，气动人工肌肉3和和半直齿轮13水平设置，且分别位于l形连接架9的上侧和下侧；在内固定架2的左侧侧板上和l形连接架9的竖板上各开设有一径向通孔，使气动人工肌肉3的伸缩端端部插装在内固定架2左侧侧板上的径向通孔内并通过穿装在充放气端的且位于内固定架2侧板两侧的内螺母5和外螺母4固定在内固定架2上；而充放气端端部插装在l形连接架9竖板上的径向通孔内并通过穿装在伸缩端的且位于l形连接架9竖板两侧的内螺母5和外螺母4固定在l形连接架9上；
内固定架2的顶板位于半直齿轮13和l形连接架9的横板之间；在半直齿轮13和内固定架2上各开设有一个内设有塑料自润滑轴承的轴向通孔，使半直齿轮13和内固定架2之间通过插装在两个塑料自润滑轴承内的销轴形成转动连接，构成转动副；在半直齿轮13和l形连接架9的横板上各开设有一个内设有塑料自润滑轴承的轴向通孔，使半直齿轮13和l形连接架9的横板之间通过插装在两个塑料自润滑轴承内的销轴形成转动连接，构成转动副。
如图4所示，伺服电机驱动机构包括伺服电机6和半伞齿轮14；具体地，伺服电机6通过四个固定螺钉11固定在内固定架2右侧侧板上；半伞齿轮14插装并固定在伺服电机6的输出轴上。
其中，l形连接架9的竖板与内固定架2的右侧侧板之间留有一段间隔距离，该间隔距离满足气动人工肌肉3伸缩端所需的伸缩空间。
如图1～4所示，动力输出机构包括转动轴10、直齿轮7，伞齿轮12和动作输出轴8；具体地，直齿轮7和伞齿轮12分别穿装并固定在转动轴10两端，且转动轴10竖直设置，使直齿轮7与半直齿轮13啮合，伞齿轮1与半伞齿轮14啮合；另外，在外固定架1的顶板和底板上各开设有一个内设有塑料自润滑轴承的轴向通孔，使转动轴10通过将两端分别插装并固定在两个塑料自润滑轴承的内侧通孔中，实现转动轴10分别与外固定架1的顶板和底板形成转动连接；
动作输出轴8为连接部件，其用于将该关节机构与其它部件连接，向其他部件传递该关节机构做出的动作，为根据需要便于拆装，该动作输出轴8的两端设有内径与转动轴10的外径相适应的弧形凹槽，使动作输出轴8的端部能够通过弧形凹槽扣在转动轴10的外侧侧壁上，实现动作传送。
该单气动人工肌肉混合驱动关节采用气动人工肌肉驱动机构和伺服电机驱动机构混合驱动方式作用于动力输出机构以相互补偿的方式实现驱动；其中，
对于气动人工肌肉驱动机构来说，当通过充放气端给气动人工肌肉3充气时，气动人工肌肉3发生形变伸长，l形连接架9随着气动人工肌肉3的伸长而向右侧移动，带动半直齿轮13围绕中心轴作逆时针转动，半直齿轮13作用与之啮合的直齿轮7上从而带动转动轴10发生顺时针转动，动作输出轴8做出相应顺时针转动；同理，当气动人工肌肉3放气时，气动人工肌肉3发生形变缩短，上述各项运动方向相反，动作输出轴8随转动轴10发生逆时针转动；
与此同时，对于伺服电机驱动机构来说，通过对伺服电机6的正向转动和反向转动进行控制，带动半伞齿轮14做出正向转动和反向转动，由于半伞齿轮14与伞齿轮12啮合，伞齿轮12也随之带动转动轴10做出正转和反转的运动，相应地，动作输出轴8做出相同方向的转动。