一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器的制作方法

本发明涉及机械工程技术领域，尤其涉及一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器。

背景技术

通常，对于机器人，人们要求具有极高的位置控制精度，这就要求机器人具有很高的刚度，以获得足够宽的控制带宽，并减小位置上的误差。这就导致这类机器人，在力控制上不尽人意：一点较小的位置差异也会导致输出力的巨大变化。另一方面，通过对生物的认知，人们发现生物对于位置控制的精度并不高，在没有视觉、触觉的帮助下，很难控制肢体的精确位置。反而，在力控制上，生物表现出了非常强的适应能力。而两者本质上的差异，来源于驱动原理：大部分机器人采用电机驱动，传动元件如齿轮、连杆等均为刚性结构；动物大多采用肌肉驱动，是一种柔性的生物组织。在实现足式运动的过程中，人们逐渐意识到了柔性的重要性，在理解生物运动的原理基础上，利用仿生的方式设计制造出柔性且可控的仿生驱动器，也在机器人实现类动物运动中起到越来越重要的作用。

在动物的运动系统中，骨骼肌是驱动器，它由肌腹以及肌腱两部分组成，肌腹由肌纤维构成，具有收缩能力，而肌腱则是一种致密的芥蒂组织，仅起到牵引连接作用，没有主动收缩能力。肌肉的力学响应可以分为两部分，一种是在神经脉冲的作用下产生自主收缩对外输出力的主动响应，另一种则是在静息状态下的被动弹性响应。研究发现，生物肌肉表现出了准静态下的超弹性以及动态过程中的非线性的粘弹性效应。

为了实现类似肌肉的动态响应，人们在传统电机上做出了很多发展。

1995年，mit的pratt教授与williamson著的“serieselasticactuators[c]//internationalconferenceonintelligentrobotsandsystems.ieeecomputersociety,1995”提出通过在电机与负载之间串接弹性单元形成串联弹性驱动器(serieselasticactuators,sea)来提供柔性的控制以及力输出，使得电机与冲击荷载隔离，并通过弹性单元过滤背隙、转矩波动以及摩擦力的影响。这种驱动器具有较低的阻抗，精确的力输出，但是控制带宽相对较窄，机械结构以及电子控制相对更复杂。

priyanshuagarwal和ashishd.deshpande著的“serieselasticactuators(seas)forsmall-scaleroboticapplications.journalofmechanisms&robotics,2017”利用拉索传动，并分别通过线弹簧和扭簧，实现了小尺度驱动器与关节分离的sea，成功应用在人手的外骨骼上。

dinoaccoto等人著的“pvej:amodularpassiveviscoelasticjointforassistivewearablerobots[j].2012”在弹性单元上并联了利用液体粘性的可调阻尼元件，实现了小尺寸的串联粘弹性驱动，有效抑制了sea的振动。

clarkdavenport等人著的“designandbiomechanicalanalysisofsupernumeraryroboticlimbs[c]//asme2012,dynamicsystemsandcontrolconferencejointwiththejsme2012”则通过在电机和负载之间串联柱状聚氨酯同时实现弹性和阻尼，并成功应用在外骨骼机器人上取得了良好的人机交互效果，并将其称之为串联粘弹性驱动器(seriesviscoelasticactuators,sva)。

以上所述驱动器，或缺乏阻尼响应，或体积及质量较大，难以进行小型化应用。

因此，本发明致力于提供一种结构紧凑的驱动装置，在保证精度的情况下，实现了类似生物运动系统的双向柔性响应。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种结构紧凑的驱动装置，在保证精度的情况下，实现了类似生物运动系统的双向柔性响应。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器，包含驱动舵机、仿生肌腱、转动关节和底座。所述驱动舵机与所述转动关节固定安装在所述底座上，所述驱动舵机通过所述仿生肌腱与所述转动关节连接。

进一步地，所述驱动舵机还包括舵机固定件，所述驱动舵机通过所述舵机固定件安装在所述底座上。

进一步地，所述舵机固定件采用螺栓与所述底座固定连接。

进一步地，所述仿生肌腱为粘弹性聚合物材料。

进一步地，所述仿生肌腱数量为2个。

进一步地，所述转动关节还包括关节固定件和关节旋转件，所述转动关节通过所述关节固定件固定安装在所述底座上，所述关节旋转件安装在所述关节固定件上。

进一步地，所述关节旋转件与所述关节固定件设置为可相对转动。

进一步地，所述转动关节还包括电磁旋转编码器、编码器支座和磁铁支座，所述电磁旋转编码器和所述编码器支座安装在所述关节固定件上，所述磁铁支座安装在所述关节旋转件上。

进一步地，所述电磁旋转编码器还包括磁铁，所述磁铁设置在所述磁铁支座中。

进一步地，所述磁铁支座通过螺栓固定安装在所述关节旋转件上。

本发明所提供的基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器，实现了紧凑形式下的柔性旋转运动，在保证精度的情况下，实现了类似生物运动系统的双向柔性响应，能作为仿生机器人、工业机械手等的驱动装置。

以下将结合附图对本发明的构思、具体组成及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的三维图；

图2是本发明一较佳实施例的三维分解图；

图3是本发明一较佳实施例的传动示意图。

附图标记说明

1-伺服舵机，101-舵机固定件，102-第一肌腱固定件，103-第二肌腱固定件，2-仿生肌腱，3-转动关节，301-关节固定件，302-关节旋转件，303-电磁旋转编码器，304-编码器支座，305-磁铁支座，4-底座。

具体实施方式

下面实施例是对本发明做进一步地详细说明，实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于仿生肌腱的串联粘弹性驱动器，包括驱动舵机1，仿生肌腱2，转动关节3和底座4。驱动舵机1与转动关节3固定安装在底座4上，且驱动舵机1通过仿生肌腱2与转动关节3串联连接。底座4为长方形横截面的柱状构件，柱状构件四面均开设有凹槽，且其上所设凹槽间距相等。

如图2所示，驱动舵机1通过舵机固定件101固定安装在底座4上。舵机固定件101采用螺栓方式与底座4固定连接。驱动舵机1为伺服舵机。第一肌腱固定件102为一对两端设有凹槽的片状构件，一对片状构件分别通过轴承和螺栓固定在驱动舵机1的两侧。螺栓数量可根据需要任意设置，优选地，螺栓数量为4个。

转动关节3包括非转动部分，转动部分以及旋转编码装置。非转动部分作为转动关节3的固定支撑基座，固定在底座4上，与驱动舵机1保持固定距离。此固定距离可根据需要任意调整，优选地，固定距离设置为人的肌腱长度，如取15cm。本实施例中，提供了一种转动关节3的结构形式，如图2中所示非转动部分为u型关节固定件301。转动部分作为转动关节3的活动支撑基座，与非转动部分相连，且两者可发生自由相对转动。本实施例中，提供了一种转动部分结构形式，如图2所示u型关节旋转件302。关节旋转件302通过轴承与螺栓连接在关节固定件301上，两者可发生自由相对转动。

旋转编码装置包括电磁旋转编码器303，编码器支座304和磁铁支座305。磁铁支座305为圆柱形结构，其通过螺栓与关节旋转件302固定，且磁铁支座305内嵌有电磁旋转编码器303的磁铁。编码器支座304将电磁旋转编码器303固定在关节固定件301的另一侧上。转动关节3旋转时，内嵌在磁铁支座305中的磁铁与电磁旋转编码器303发生相对转动。转动关节3最外两侧设有第二肌腱固定件103，第二肌腱固定件103为一对两端设有凹槽的片状结构，优选地，第二肌腱固定件103结构与第一肌腱固定件102设置为相同。第二肌腱固定件103的一对片状结构通过轴承和螺栓固定在关节旋转件302上。第一肌腱固定件102与第二肌腱固定件103的凹槽朝向设置为背对方向，凹槽之间的相对高度可任意设置，优选地，凹槽的相对高度相同。

仿生肌腱2由一对粘弹性聚合物材料的粘弹性元件组成，在动态变形过程中具有柔顺适应效应。仿生肌腱2的一个粘弹性元件设于第一肌腱固定件102与第二肌腱固定件103的上端凹槽中，另一个弹性元件设于第一肌腱固定件102与第二肌腱固定件103的下端凹槽中，从而实现驱动舵机1和转动关节3的串联组合。转动关节3与驱动舵机1之间通过仿生肌腱2实现柔性的力矩传递，进而实现仿生柔性关节的运动和力量的控制效果。仿生肌腱2成对使用，在传递力矩过程中产生类似肌肉拮抗作用效应。仿生肌腱2通过预张拉形成预紧力，避免在运动中产生松弛继而引起力和运动突变。

如图3所示，当驱动舵机1与转动关节3旋转角度不一致的时，导致仿生肌腱2长度不一致，产生旋转力矩，利用这一机制，该驱动器就能够稳定地输出力矩。

利用所述转动关节3内的旋转编码装置，可以控制转动关节3的绝对角度，使驱动器稳定输出旋转角度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。