基于气动肌肉仿人上肢的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种基于气动肌肉仿人上肢。

背景技术：

人的上肢肌肉交错分布，在不同的姿态运动和运动的过程中，各肌肉分别起到等压、等张、等长的作用，各肌肉协调动作完成复杂的动作输出力和空间姿态运动。

为了更好的了解上肢运动过程中各肌肉的扮演的角色，有必要对上肢的肌肉分布进行研究，由于其受到神经系统控制分析不容易进行，气动肌肉类似于人类肌肉的柔顺性，因次有必要通过气动肌肉进行仿生模拟研究。大部分仿生上肢局限于对拉气动肌肉驱动的形式，仅仅可以实现简单的动作，不能够实现系统空间多个方向姿态的控制，更不能模拟人体上肢实际肌肉分布情况。中国专利201621016784.8、201110069372.6、201510434010.0都提出基于对拉气动肌肉的仿人上肢，均不能模拟人体上肢肌肉实际分布的情况，中国专利201510311779.3提出三根肌肉并联形式模拟人的肌肉分布，也不能够模拟实际肌肉分布情况。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种新型基于气动肌肉仿人上肢，本发明结构紧凑，干净、防爆等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

基于气动肌肉仿人上肢，其特征在于，它包括：骨骼部分、上肢带肌、臂肌、前臂肌以及固定结构；

所述的骨骼部分包括肩胛骨17、肱骨上半段2、肱骨下半段37、尺骨上半段35、尺骨下半段49，以及左肋骨一9、左肋骨二11、左肋骨三18、左肋骨四20、右肋骨一26、右肋骨二28、右肋骨三30、右肋骨四32和椎骨一8、椎骨二10、椎骨三12、椎骨四19、椎骨五21、椎骨六22、椎骨七23、椎骨八24、椎骨九25、椎骨十27、椎骨十一29、椎骨十二31、椎骨十三33；

所述的上肢带肌包括冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7；

所述的臂肌包括啄肱肌一38、啄肱肌二39、肱肌一40、肱肌二41、肱二头肌一42、肱二头肌二43、肱三头肌一44、肱三头肌二45、肱三头肌三46；

所述的前臂肌包括桡侧腕屈肌50、掌长肌51、旋前圆肌52、肱桡肌53、尺侧腕伸肌54、桡侧腕短伸肌55、桡侧腕长伸肌56、旋后肌57；

所述的固定结构包括驱动肩关节气动肌肉固定板1、驱动肘关节气动肌肉固定板34、、驱动腕关节气动肌肉固定板47；

其中，椎骨一8、椎骨二10、椎骨三12、椎骨四19、椎骨五21、椎骨六22、椎骨七23、椎骨八24、椎骨九25之间依次可转动连接，椎骨十27、椎骨十一29、椎骨十二31、椎骨十三33之间也依次采用可转动连接；

左肋骨一9的两端分别通过椎骨一8、椎骨十27与右肋骨一26的两端固定连接；

左肋骨二11的两端分别通过椎骨二10、椎骨十一29与右肋骨二28的两端固定连接；

左肋骨三18的两端分别通过椎骨三12、椎骨十二31与右肋骨三30的两端固定连接；

左肋骨四20的两端分别通过椎骨四19、椎骨十三33与右肋骨四32的两端固定连接；

肩胛骨17与左肋骨二11、左肋骨三18固定连接，与肱骨上半段2的一端可转动连接；肱骨上半段2的另一端与驱动肩关节气动肌肉固定板1固定连接；

冈上肌3的两端和三角肌4的两端均分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨一9可转动连接，肩胛下肌5两端分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨二11可转动连接，冈下肌6的两端和小圆肌7的两端均分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨三18可转动连接，冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7一起驱动肩关节内收、外展、旋内、旋外；

肱骨下半段37一端与驱动肩关节气动肌肉固定板1固定连接，另一端与尺骨上半段35的一端可转动连接，尺骨上半段35的另一端与驱动肘关节气动肌肉固定板34固定连接；

肱三头肌一44的两端、肱三头肌二45的两端和肱三头肌三46的两端均分别与左肋骨一9、驱动肘关节气动肌肉固定板34可转动连接，啄肱肌一38的两端、啄肱肌二39的两端和肱肌一40的两端均分别与左肋骨二11、驱动肘关节气动肌肉固定板34可转动连接，肱肌二41两端分别与左肋骨三18、驱动肘关节气动肌肉固定板34可转动连接，肱二头肌一42的两端和肱二头肌二43的两端均分别与左肋骨四20、驱动肘关节气动肌肉固定板34可转动连接，肱三头肌一44、肱三头肌二45、肱三头肌三46、啄肱肌一38、啄肱肌二39、肱肌一40、肱肌二41、肱二头肌一42、肱二头肌二43协同驱动肘关节屈伸、旋内、旋外，同时与冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7一起驱动肩关节收展、屈伸、旋内、旋外；

尺骨下半段49一端与驱动肘关节气动肌肉固定板34固定连接，另一端与驱动腕关节气动肌肉固定板47可转动连接；

桡侧腕屈肌50的两端、掌长肌51的两端、旋前圆肌52的两端、肱桡肌53的两端、尺侧腕伸肌54的两端、桡侧腕短伸肌55的两端、桡侧腕长伸肌56的两端、旋后肌57的两端均分别与驱动肘关节气动肌肉固定板34、驱动腕关节气动肌肉固定板47可转动连接，驱动腕关节屈伸、收展和肘关节屈伸、旋内、旋外。

进一步地，所有的可转动连接为球铰接，所有的固定连接为螺纹连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根单关节、多关节气动肌肉驱动关节，可以同时实现关节多个方向的运动；

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；

3.本发明肩关节、肘关节、腕关节分别具有3、2、2个自由度，可以形象地模拟人上肢可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体上肢每根肌肉在上肢运动中的作用。

附图说明

图1是仿人上肢总体图；

图2是仿人上肢上肢带肌结构图；

图3是仿人上肢上肢带肌结构爆炸图；

图4是仿人上肢臂肌结构图；

图5是仿人上肢臂肌结构爆炸图；

图6是仿人上肢前臂肌结构图；

图7是仿人上肢前臂肌结构爆炸图；

图中：驱动肩关节气动肌肉固定板1、肱骨上半段2、冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7、椎骨一8、左肋骨一9、椎骨二10、左肋骨二11、椎骨三12、球铰一13、m4螺母一14、u型紧固件15、m4螺母二16、肩胛骨17、左肋骨三18、椎骨四19、左肋骨四20、椎骨五21、椎骨六22、椎骨七23、椎骨八24、椎骨九25、右肋骨一26、椎骨十27、右肋骨二28、椎骨十一29、右肋骨三30、椎骨十二31、右肋骨四32、椎骨十三33、驱动肘关节气动肌肉固定板34、尺骨上半段35、球铰二36、肱骨下半段37、啄肱肌一38、啄肱肌二39、肱肌一40、肱肌二41、肱二头肌一42、肱二头肌二43、肱三头肌一44、肱三头肌二45、肱三头肌三46、驱动腕关节气动肌肉固定板47、球铰三48、尺骨下半段49、桡侧腕屈肌50、掌长肌51、旋前圆肌52、肱桡肌53、尺侧腕伸肌54、桡侧腕短伸肌55、桡侧腕长伸肌56、旋后肌57。

具体实施方式

如图1-7所示，基于气动肌肉仿人上肢，包括：骨骼部分、上肢带肌、臂肌、前臂肌以及固定结构；

骨骼部分包括肩胛骨17、肱骨上半段2、肱骨下半段37、尺骨上半段35、尺骨下半段49，以及左肋骨一9、左肋骨二11、左肋骨三18、左肋骨四20、右肋骨一26、右肋骨二28、右肋骨三30、右肋骨四32和椎骨一8、椎骨二10、椎骨三12、椎骨四19、椎骨五21、椎骨六22、椎骨七23、椎骨八24、椎骨九25、椎骨十27、椎骨十一29、椎骨十二31、椎骨十三33；

上肢带肌包括冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7；

臂肌包括啄肱肌一38、啄肱肌二39、肱肌一40、肱肌二41、肱二头肌一42、肱二头肌二43、肱三头肌一44、肱三头肌二45、肱三头肌三46；

前臂肌包括桡侧腕屈肌50、掌长肌51、旋前圆肌52、肱桡肌53、尺侧腕伸肌54、桡侧腕短伸肌55、桡侧腕长伸肌56、旋后肌57；

固定结构包括驱动肩关节气动肌肉固定板1、驱动肘关节气动肌肉固定板34、、驱动腕关节气动肌肉固定板47；

其中，椎骨一8、椎骨二10、椎骨三12、椎骨四19、椎骨五21、椎骨六22、椎骨七23、椎骨八24、椎骨九25之间依次采用球铰连接，椎骨十27、椎骨十一29、椎骨十二31、椎骨十三33之间也依次也采用球铰连接；

左肋骨一9的两端分别通过椎骨一8、椎骨十27与右肋骨一26的两端用螺栓固定连接；左肋骨二11的两端分别通过椎骨二10、椎骨十一29与右肋骨二28的两端用螺栓固定连接；左肋骨三18的两端分别通过椎骨三12、椎骨十二31与右肋骨三30的两端用螺栓固定连接；左肋骨四20的两端分别通过椎骨四19、椎骨十三33与右肋骨四32的两端用螺栓固定连接；

肩胛骨17通过m4螺母一14、u型紧固件15、m4螺母二16与左肋骨二11、左肋骨三18相连，球铰一13一端通过螺纹与肩胛骨17相连，另一端通过螺纹与肱骨上半段2相连，肱骨上半段2通过螺纹与驱动肩关节气动肌肉固定板1相连。

冈上肌3的两端、三角肌4的两端均通过螺纹分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨一9相连，肩胛下肌5两端通过螺纹分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨二11相连，冈下肌6的两端、小圆肌7的两端分别通过螺纹分别与驱动肩关节气动肌肉固定板1、左肋骨三18相连，冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7一起驱动肩关节内收、外展、旋内、旋外；

肱骨下半段37一端通过螺纹与驱动肩关节气动肌肉固定板1相连，另一端通过螺纹与球铰二36相连，尺骨上半段35一端通过螺纹与球铰二36相连，另一端通过螺纹与驱动肘关节气动肌肉固定板34相连。

肱三头肌一44的两端、肱三头肌二45的两端、肱三头肌三46的两端均通过螺纹分别与左肋骨一9、驱动肘关节气动肌肉固定板34相连；

啄肱肌一38的两端、啄肱肌二39的两端、肱肌一40的两端均通过螺纹分别与左肋骨二11、驱动肘关节气动肌肉固定板34相连，肱肌二41两端分别通过螺纹与左肋骨三18、驱动肘关节气动肌肉固定板34相连，肱二头肌一42的两端、肱二头肌二43的两端均分别通过螺纹与左肋骨四20、驱动肘关节气动肌肉固定板34相连，肱三头肌一44、肱三头肌二45、肱三头肌三46、啄肱肌一38、啄肱肌二39、肱肌一40、肱肌二41、肱二头肌一42、肱二头肌二43协同驱动肘关节屈伸、旋内、旋外，同时与冈上肌3、三角肌4、肩胛下肌5、冈下肌6、小圆肌7一起驱动肩关节内收、外展、旋内、旋外；

尺骨下半段49一端通过螺纹与驱动肘关节气动肌肉固定板34相连，另一端通过球铰三48与驱动腕关节气动肌肉固定板47相连。桡侧腕屈肌50、掌长肌51、旋前圆肌52、肱桡肌53、尺侧腕伸肌54、桡侧腕短伸肌55、桡侧腕长伸肌56、旋后肌57两端通过螺纹分别与驱动肘关节气动肌肉固定板34、驱动腕关节气动肌肉固定板47相连，驱动腕关节屈伸、收展和肘关节屈伸、旋内、旋外。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的气动肌肉，可以动态形象的模拟人上肢的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉仿人上肢无法比拟的优势。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。