足式机器人关节用电肌复合驱动机构的制作方法

本实用新型涉及一种足式机器人关节驱动机构，特别是涉及一种足式机器人关节用电肌复合驱动机构。

背景技术：

带足机器人与地面非连续接触的运动特点，使其能够适应山地等复杂地形，因而具有比轮式或履带式移动机器人更大的活动范围，而关节是带足机器人的核心部件之一。带足机器人的仿生动作特点，要求其关节驱动具有响应速度快、扭矩密度高、重量轻等特点。而电机驱动由其控制精准，响应快速的特点，在机器人关节驱动方面的应用较为广泛。

机器人关节由于自身重量而受重力(引力力矩)影响，负载增大。大多数机器人关节使用功率、重量较大的电机和减速器，为机器人关节运动提供足够的力矩。若由于机器人重量而产生的引力力矩以及部分负载力矩可以通过某种方式得到补偿，关节处需要的扭矩得以减小，电机的重量也会有所降低。

文献1“multi-dofcounterbalancemechanismforaservicerobotarm发表于期刊ieee/asmetransactionsonmechatronics，2014年19卷第6期1756–1763页”提出在机器人的关节部分使用弹簧来补偿力矩，减小引力力矩的影响。但是这种方式可控性差，精度低，且只能进行被动补偿，对于力矩补偿灵活性需求高的场合并不适用。因此，需要一种既能够精准控制，响应迅速，轻量化，又能够产生足够力矩的智能化力矩补偿驱动机构。

电活性聚合物(electroactivepolymer,eap)作为一种新型软质智能材料，能够在通电时产生一定的形变而体现出生物活性，也被称为“人造肌肉”。文献2“musclelikejointmechanismdrivenbydielectricelastomeractuatorforroboticapplications发表于期刊smartmaterialsandstructures，2018年第27卷第7期”介绍了一种由eap材料驱动的机器人关节机构。这种驱动结构包括支架，eap驱动组件及转动关节，将4根条状eap材料分别放在转动关节左右两边，每边2根。通电后eap收缩或拉伸，带动关节左右旋转。但这种驱动方式产生的力矩有限，且非线性形变精确度较低，在高力矩需求场合难以精准施力。

技术实现要素：

为了克服现有足式机器人关节驱动机构实用性差的不足，本实用新型提供一种足式机器人关节用电肌复合驱动机构。该机构包括右肌腱、下支架、左肌腱、连接壳、电机组件和控制器。当复合驱动机构从下支架斜向下运动至下支架水平的过程中，控制器将控制信号传给电机组件，使电机逆时针旋转，同时根据需求控制左肌腱和右肌腱的端电压，使左肌腱伸长，右肌腱收缩，给连接壳和电机组件逆时针转矩，带动下支架逆时针旋转。同理，当复合驱动机构从下支架水平运动至下支架斜向下的过程中，电机顺时针旋转，左肌腱收缩，右肌腱伸长，给连接壳和电机组件顺时针转矩，带动下支架顺时针旋转，实用性好。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种足式机器人关节用电肌复合驱动机构，其特点是包括上支架1、肌腱支撑架2、右肌腱3、柔性电极与固定器4、下支架5、左肌腱6、连接壳7、电机组件8、连接架9、控制器10、连接台11和控制器支架12。

所述上支架1上部为自由端，其他关节相连，上支架1下部与肌腱支撑架2固连。所述连接架9呈弧形结构，为控制器10提供安装空间，连接架9上部与肌腱支撑架2相连，下部与连接台11相连，中间与控制器支架12相连。控制器10放在控制器支架12上。

所述电机组件8和连接壳7组成电机驱动组件。电机组件8的前端伸出轴与连接台11相连，下支架5的一端与连接壳7固连，下支架5的另一端为自由端，与其他关节相连。关节运动时，连接台11固定不动，电机组件8转动，带动连接壳7转动，与连接壳7相连的下支架5随之转动。

所述左肌腱6、右肌腱3和柔性电极与固定器4组成eap驱动组件。柔性电极与固定器4共四组，分别固定在左肌腱6和右肌腱3的两端。所述4组柔性电极与固定器中，有两组与肌腱支撑架2相连，固定左肌腱6和右肌腱3；右肌腱3的另一端通过一组柔性电极与固定器4与连接壳7相连，左肌腱6的另一端通过一组柔性电极与固定器4与连接壳7的伸出连接点13相连。

所述左肌腱6和右肌腱3的材料为eap材料，采用叠膜、扭合或卷筒方法制成。

本实用新型的有益效果是：该机构包括右肌腱、下支架、左肌腱、连接壳、电机组件和控制器。当复合驱动机构从下支架斜向下运动至下支架水平的过程中，控制器将控制信号传给电机组件，使电机逆时针旋转，同时根据需求控制左肌腱和右肌腱的端电压，使左肌腱伸长，右肌腱收缩，给连接壳和电机组件逆时针转矩，带动下支架逆时针旋转。同理，当复合驱动机构从下支架水平运动至下支架斜向下的过程中，电机顺时针旋转，左肌腱收缩，右肌腱伸长，给连接壳和电机组件顺时针转矩，带动下支架顺时针旋转，实用性好。

具体的，1.在力矩需求一定的前提下，由于eap肌腱的力矩补偿作用，电机的输出转矩要求降低，解决了电机及减速器转矩要求高、体积大、质量大的问题。

2.eap肌腱于不同施力点放置，以及采用叠膜、扭合或卷筒等结构，多方位为电机提供主动力矩补偿，提高力矩补偿灵活度及机构适应能力。

3.eap肌腱通电长度改变，力矩补偿时机、方向与力度可控。解决了补偿力矩不可控、精度低的问题，提高整体关节机构的控制柔顺度及环境适应性。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细说明。

附图说明

图1是本实用新型足式机器人关节用电肌复合驱动机构的示意图。

图2是图1的另一视角示意图。

图3是图1运动中下支架斜向下时肌腱与下支架的状态示意图。

图4是图1运动中下支架水平时肌腱与下支架的状态示意图。

图5是图1的俯视图。

图6是图1的左视图。

图中：1-上支架，2-肌腱支撑架，3-右肌腱，4-柔性电极与固定器，5-下支架，6-左肌腱，7-连接壳，8-电机组件，9-连接架，10-控制器，11-连接台，12-控制器支板，13-肌腱连接点。

具体实施方式

以下实施例参照图1～6。

本实用新型足式机器人关节用电肌复合驱动机构包括上支架1、肌腱支撑架2、右肌腱3、柔性电极与固定器4、下支架5、左肌腱6、连接壳7、电机组件8、连接架9、控制器10、连接台11和控制器支架12。

所述上支架1上部为自由端，其他关节相连，上支架1下部与肌腱支撑架2固连。肌腱支撑架2起到为肌腱的收缩施力提供支撑的作用。连接架9呈弧形结构，为内部控制器10提供空间，同时这种外观与人体肌肉外形更为相似。连接架9上部与肌腱支撑架2相连，下部与连接台11相连，中间与控制器支架12相连。控制器10放在控制器支架12上，控制器支架12可采用中部凹陷结构或外部包围结构，进一步固定控制器10。

所述电机组件8和连接壳7组成电机驱动组件。电机组件8的前端伸出轴与连接台11相连，下支架5的一端与连接壳7固连，下支架5的另一端为自由端，与其他关节相连。关节运动时，连接台11固定不动，电机组件8转动，带动连接壳7转动，与连接壳7相连的下支架5随之转动。

所述左肌腱6、右肌腱3和柔性电极与固定器4组成eap驱动组件。柔性电极与固定器4共四组，分别固定在左肌腱6和右肌腱3的两端。所述4组柔性电极与固定器中，有两组与肌腱支撑架2相连，固定左肌腱6和右肌腱3；右肌腱3的另一端通过一组柔性电极与固定器4与连接壳7相连，左肌腱6的另一端通过一组柔性电极与固定器4与连接壳7的伸出连接点13相连。左肌腱6和右肌腱3为eap材料，采用叠膜、扭合或卷筒等结构制成。

所述控制器10为电机及肌腱协同控制器，位于控制器支架12上。控制器10的作用为，根据参考转矩信号，控制施力过程中的运动时间与转矩，改变电机组件8中控制器的输入，控制电机转动；并改变肌腱电压，控制肌腱长度和输出力矩，使电机组件8与左肌腱6或右肌腱3协同工作。

复合驱动机构从下支架斜向下运动至下支架水平的过程中，控制器10将控制信号传给电机组件8，使电机逆时针旋转，同时根据需求控制左肌腱6和右肌腱3的端电压，使左肌腱6伸长，右肌腱3收缩，给连接壳7和电机组件8逆时针转矩，带动下支架5逆时针旋转。同理，当复合驱动机构从下支架水平运动至下支架斜向下的过程中，电机顺时针旋转，左肌腱6收缩，右肌腱3伸长，给连接壳7和电机组件8顺时针转矩，带动下支架5顺时针旋转。