本實用新型屬于機器人部件技術領域，具體涉及一種人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節。

背景技術：

機器人關節是影響機器人動靜態特性的重要部件。對于大多數工業機器人來講，變形的主要來源是關節變形，由此帶來一系列問題：1）嚴重影響了機器人的定位精度和軌跡精度；2）CNC 機床相比，機器人在銑削和去毛刺過程中可以發現嚴重的低頻顫振現象；3）關節柔性的引入增加了控制的難度；4）存在內部零件剛度不一致導致的剛度非線性等。針對上述問題，Bittencourt、Erkaya、蔡鶴皋、余躍慶、何廣平和Rigatos等國內外學者分別從關節摩擦、關節間隙、關節剛度辨識、柔性關節控制、關節阻抗控制等角度展開研究，對提高機器人關節運動精度、抖動抑制等具有明顯的促進作用，但由于這些研究主要圍繞電機驅動的關節構造模式展開，不能從根本上消除上述問題，因此，解決該問題成為一項重要研究課題之一。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述問題，本實用新型的目的在于提供人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，包括底座及依次從左到右間隔設置在底座上的前立板組、中立板組及后立板，其特征在于所述前立板組上設有主關節滑輪組、中立板組上設有第一副關節滑輪組和第二副關節滑輪組，第一副關節滑輪組和第二副關節滑輪組另一端固定在后立板上，第一肌群牽引線一端設置在主關節滑輪組上，另一端設置在第一副關節滑輪組上，第二肌群牽引線一端設置在主關節滑輪組上，另一端設置在第二副關節滑輪組上，主關節滑輪組的主關節軸端部連接主關節運動臂，第一副關節滑輪組和第二副關節滑輪組結構相同，相互上下平行設置在中立板組上，第一副關節滑輪組和第二副關節滑輪組均由人工肌肉致動器單元、人工韌帶單元、線性儲能單元組合而成。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于主關節滑輪組包括主關節順時針驅動輸入輪、主關節逆時針驅動輸入輪及主關節驅動輸出輪，主關節順時針驅動輸入輪、主關節逆時針驅動輸入輪分別通過順時針軸承、逆時針軸承與主關節軸連接，主關節驅動輸出輪直接固定連接在主關節軸上，主關節軸兩端分別通過主關節右軸承、主關節左軸承連接到對稱設置的第一前立板和第二前立板上，通過相應的肌群牽引線驅動輸入輪和輸出輪。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于所述主關節驅動輸出輪兩側分別設有第一凹槽、第一凹槽凸緣及第二凹槽、第二凹槽凸緣；主關節順時針驅動輸入輪和主關節逆時針驅動輸入輪結構尺寸相同，主關節順時針驅動輸入輪一側設有第一凸臺和第一凸臺凸緣，主關節逆時針驅動輸入輪一側設有第二凸臺和第二凸臺凸緣，每個凸臺凸緣與凹槽凸緣對應配合，主關節順時針驅動輸入輪與主關節驅動輸出輪間形成間歇傳動，主關節順時針驅動輸入輪上設有第一卡槽，主關節逆時針驅動輸入輪上設有第二卡槽，第一卡槽、第二卡槽與第一肌群牽引線、第二肌群牽引線對應匹配，卡槽用于引導和約束對應的肌群牽引線。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于第一副關節滑輪組和第二副關節滑輪組結構相同，第一副關節滑輪組包括副關節軸、第一副關節驅動輸入輪、第二副關節驅動輸入輪、第三副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸出輪及與關節驅動輸入輪對應配合的第一軸上鎖緊推塊、第二軸上鎖緊推塊及第三軸上鎖緊推塊，第一副關節驅動輸入輪、第二副關節驅動輸入輪、第三副關節驅動輸入輪分別通過第一輸入輪軸承、第二輸入輪軸承及第三輸入輪軸承安裝在副關節軸上，軸上鎖緊推塊及副關節驅動輸出輪通過過贏配合鎖緊設置在副關節軸上，每個副關節驅動輸入輪與后立板之間設有人工肌群。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于所述人工肌群包括線性儲能單元及人工韌帶單元Ⅰ，人工韌帶單元Ⅰ一端設置在副關節驅動輸入輪上，另一端依次連接人工肌肉致動器單元Ⅰ、人工韌帶單元Ⅱ及人工肌肉致動器單元Ⅱ的一端，人工肌肉致動器單元Ⅱ的另一端固定在后立板上；副關節軸通過第一副關節軸承和第二副關節軸承安裝在第一中立板、第二中立板上，通過對人工韌帶單元的選擇驅動拉動關節驅動輸入輪，繼而推動軸上鎖緊推塊和副關節驅動輸出輪，以實現人工韌帶單元驅動副關節驅動輸出輪的選擇性并聯輸出。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于人工肌肉致動器單元為具有線性致動單元，選自SMA絲、SMA彈簧、氣動人工肌肉、介電彈性體致動器中的任意一種。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于人工韌帶單元為尼龍繩。

所述的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，其特征在于底座上位于人工肌群一側裝有散熱風扇，以幫助人工肌肉致動器單元的冷卻恢復。

通過采用上述技術，與現有技術相比，本實用新型的有益效果如下：

1）本實用新型采用不同的人工肌肉致動器單元進行實驗，以SMA彈簧為例，由于SMA彈簧只有收縮和松弛狀態兩種狀態，收縮狀態時，剛度大，松弛狀態時，剛度??；根據SMA彈簧的電熱驅動特性，通過控制SMA彈簧組中的每根SMA彈簧的電流通斷來驅動與其相連的副關節驅動輪組，進而帶動主關節驅動輪組轉過一定的角度，實現關節控制，避免了各SMA彈簧間的干涉問題；

2）本實用新型通過在主關節輸入輪上設置凸臺及凸臺凸緣，在主關節驅動輸出輪上設置與凸臺及凸臺凸緣對應匹配的凹槽及凹槽凸緣，工作時主關節順時針驅動輸入輪和主關節逆時針驅動輸入輪分別與主關節驅動輸出輪配合工作，使主關節順時針驅動輸入輪與主關節逆時針驅動輸入輪間形成間歇傳動，即在一定角度范圍內，主關節順時針驅動輸入輪驅動主關節驅動輸出輪轉動時對主關節逆時針驅動輸入輪無影響；

3）本實用新型的副關節驅動輪組主要用于實現SMA彈簧的并聯輸出，采用上下兩組組成，每個副關節滑輪組包括副關節軸、副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸出輪及與關節驅動輸入輪對應配合的第一軸上鎖緊推塊、第一軸上鎖緊推塊及第一軸上鎖緊推塊，副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸入輪、副關節驅動輸入輪分別通過第一輸入輪軸承、第二輸入輪軸承及第三輸入輪軸承安裝在副關節軸上，軸上鎖緊推塊及副關節驅動輸出輪通過過贏配合鎖緊設置在副關節軸上，每個副關節驅動輸入輪與后立板之間設有人工肌群，由于軸上鎖緊推塊與副關節驅動輸入輪間形成了間歇傳動，故在一定角度范圍內能實現無干涉的選擇性并聯輸出，因此通過上下兩組副關節驅動輪組的多種選擇性輸入，可實現主關節驅動輪組的順時針、逆時針方向多種輸出。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為本實用新型的關節滑輪組分體結構示意圖；

圖3為本實用新型的主關節滑輪組結構示意圖；

圖4為本實用新型的主關節滑輪組另一結構示意圖；

圖5為本實用新型的副關節滑輪組結構示意圖。

圖中：0-人工肌群，011-人工肌肉致動器單元Ⅰ，0110-人工韌帶單元Ⅰ，0112-人工韌帶單元Ⅱ，012-人工肌肉致動器單元Ⅱ，03-線性儲能單元，1-第一副關節滑輪組，10-副關節軸，111-第一軸上鎖緊推塊，112-第二軸上鎖緊推塊，113-第三軸上鎖緊推塊，121-第一副關節驅動輸入輪，122-第二副關節驅動輸入輪，123-第三副關節驅動輸入輪，124-副關節驅動輸出輪，131-第一副關節軸承，132-第二副關節軸承，133-第三輸入輪軸承，134-第二輸入輪軸承，135-第一輸入輪軸承，2-第二副關節滑輪組，3-主關節滑輪組，30-主關節軸，301-第一肌群牽引線，302-第二肌群牽引線，31-主關節順時針驅動輸入輪，311-第一卡槽，312-第一凸臺凸緣，313-第一凸臺，32-主關節逆時針驅動輸入輪，321-第二卡槽，322-第二凸臺凸緣，323-第二凸臺，33-主關節驅動輸出輪，331-第一凹槽，332-第一凹槽凸緣，333-第二凹槽，334-第二凹槽凸緣，34-主關節右軸承，35-主關節左軸承，36-逆時針軸承，37-順時針軸承，38-主關節運動臂，41-第一前立板，42-第二前立板，51-第一中立板，52-第二中立板，6-后立板，7-底座，8-腳碼。

具體實施方式

以下結合說明書附圖對本實用新型作進一步的描述，但本實用新型的保護范圍并不僅限于此：

如圖1-5所示，本實用新型的人工肌肉驅動且結構解耦的機器人關節，包括底座7及通過腳碼8依次從左到右間隔設置在底座7上的前立板組、中立板組及后立板6，前立板組由對稱的第一前立板41和第二前立板42構成，中立板組由由對稱的第一中立板51和第二中立板52構成，后立板6設置于底座7的右端端頭，且后立板6與底座7橫向截面平行，所述第一前立板41、第二前立板42之間設有主關節滑輪組3，第一中立板51、第二中立板52之間設有第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2，第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2另一端固定在后立板6上，第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2另一端固定在后立板6上，第一肌群牽引線301一端設置在主關節滑輪組3上，另一端設置在第一副關節滑輪組1上，第二肌群牽引線302一端設置在主關節滑輪組3上，另一端設置在第二副關節滑輪組2上，主關節滑輪組3的主關節軸30端部連接主關節運動臂38，第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2結構相同，相互上下平行設置在中立板組上，第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2均由人工肌肉致動器單元、人工韌帶單元、線性儲能單元組合而成。

如圖2、圖3及圖4所示，本實用新型的主關節滑輪組3包括主關節順時針驅動輸入輪31、主關節逆時針驅動輸入輪32及主關節驅動輸出輪33，主關節順時針驅動輸入輪31、主關節逆時針驅動輸入輪32分別通過順時針軸承37、逆時針軸承36與主關節軸30連接，主關節驅動輸出輪33直接固定連接在主關節軸上30上，主關節軸30兩端分別通過主關節右軸承34、主關節左軸承35連接到對稱設置的第一前立板41和第二前立板42上，通過相應的肌群牽引線驅動輸入輪和輸出輪；

主關節驅動輸出輪33兩側分別設有第一凹槽331及第二凹槽333，其中第一凹槽331上設有第一凹槽凸緣332，第二凹槽333上設有第二凹槽凸緣334；主關節順時針驅動輸入輪31和主關節逆時針驅動輸入輪32結構尺寸相同，主關節順時針驅動輸入輪31一側設有第一凸臺313和第一凸臺凸緣312，主關節逆時針驅動輸入輪32一側設有第二凸臺323和第二凸臺凸緣322，每個凸臺凸緣與凹槽凸緣對應配合，主關節順時針驅動輸入輪31與主關節驅動輸出輪33間形成間歇傳動，主關節順時針驅動輸入輪31上設有第一卡槽311，主關節逆時針驅動輸入輪32上設有第二卡槽321，第一卡槽311、第二卡槽321與第一肌群牽引線301、第二肌群牽引線302對應匹配，卡槽用于引導和約束對應的肌群牽引線。

如圖2和圖5所示，本實用新型的第一副關節滑輪組1和第二副關節滑輪組2結構相同，均用于實現人工肌肉致動器單元的并聯輸出，人工肌肉致動器單元為具有線性致動單元，選自SMA絲、SMA彈簧、氣動人工肌肉、介電彈性體致動器中的任意一種，本實用新型實施例中選用SMA彈簧，第一副關節滑輪組1包括副關節軸10、第一副關節驅動輸入輪121、第二副關節驅動輸入輪122、第三副關節驅動輸入輪123、副關節驅動輸出輪124及與關節驅動輸入輪對應配合的第一軸上鎖緊推塊111、第一軸上鎖緊推塊112及第三軸上鎖緊推塊113，第一副關節驅動輸入輪121、第二副關節驅動輸入輪122、第三副關節驅動輸入輪123分別通過第一輸入輪軸承135、第二輸入輪軸承134及第三輸入輪軸承133安裝在副關節軸10上，軸上鎖緊推塊及副關節驅動輸出輪124通過過贏配合鎖緊設置在副關節軸10上，每個副關節驅動輸入輪與后立板6之間設有結構及連接關系相同的人工肌群0。

如圖1所示，所述人工肌群0包括線性儲能單元03及人工韌帶單元ⅠⅠ0110，人工韌帶單元Ⅰ0110一端設置在副關節驅動輸入輪上，另一端依次連接人工肌肉致動器單元Ⅰ011、人工韌帶單元Ⅱ0112及人工肌肉致動器單元Ⅱ012的一端，人工肌肉致動器單元Ⅱ012的另一端固定在后立板6上；副關節軸10通過第一副關節軸承131和第二副關節軸承132安裝在第一中立板51、第二中立板52上，通過對人工韌帶單元的選擇驅動拉動關節驅動輸入輪，繼而推動軸上鎖緊推塊和副關節驅動輸出輪124，以實現人工韌帶單元驅動副關節驅動輸出輪124的選擇性并聯輸出，本實用新型實施例中的人工韌帶單元選用尼龍繩，人工肌群0由若干個線性儲能單元串并聯而成，本實用新型專利采用SMA彈簧為線性儲能單元，每個SMA彈簧獨立驅動，通過串聯在電流為2-2.5A的電路中，利用焦耳熱激活，并在電路中串聯繼電器，實現對電路的開關控制

底座7上位于人工肌群一側裝有散熱風扇，以幫助人工肌肉致動器單元的冷卻恢復。

實施例：

本實用新型采用SMA彈簧為人工肌肉致動器單元，由于SMA彈簧只有收縮和松弛狀態兩種狀態，收縮狀態時，剛度大，松弛狀態時，剛度小；根據SMA彈簧的電熱驅動特性，通過控制SMA彈簧組中的每根SMA彈簧的電流通斷來驅動與其相連的輔關節驅動輪組，進而帶動主關節驅動輪組轉過一定的角度，實現關節控制，本實用新型的人工肌群為串并聯結構，該實施例中，采用12根SMA彈簧組成，6組并聯且每組串聯2根的方式排布，兩個副關節滑輪組各分布3組人工肌肉，SMA彈簧之間采用人工韌帶單元連接，作為特例，采用尼龍繩作為人工韌帶。

如圖所示，本實用新型實施例的工作過程如下：通過由SMA彈簧、支架、滑輪組、肌群牽引線以及人工韌帶等共同組成的對拉機構，將SMA彈簧拉伸至原長的1.5倍長度，此時SMA彈簧處于松弛狀態；通電加熱后，SMA彈簧收縮到原長，此時處于收縮狀態，SMA從松弛狀態通電加熱后轉變到收縮狀態，由原來的被拉長收縮到初始長度，長度變短，牽引外部負載做功，通過滑輪組機構，線性收縮運動轉化為機器人關節旋轉運動，電熱能轉化成機械能。

主關節運動臂38與主關節軸固定連接，能向順時針和逆時針兩個方向轉動。當連接第一副關節滑輪組1的SMA彈簧組收縮、第二副關節滑輪組2的SMA彈簧保持不變時，第一副關節滑輪組1的副關節軸10順時針方向轉動，通過第一肌群牽引線301驅動主關節軸30沿順時針方向轉動；反之，當連接第二副關節滑輪組2的SMA彈簧組收縮、第一副關節滑輪組21的SMA彈簧保持不變時，第二副關節滑輪組2的副關節軸10順時針方向轉動，通過第二肌群牽引線302驅動主關節軸30沿逆時針方向轉動，連接第一副關節滑輪組1的SMA彈簧收縮，驅動主關節運動臂38順時針時，連接第二副關節滑輪組12的SMA彈簧及連接件不會對關節運動產生阻力，反之亦然；

本實用新型通過對SMA彈簧的選擇驅動，拉動對應的第一副關節驅動輸入輪121、第二副關節驅動輸入輪122或第三副關節驅動輸入輪123，繼而推動與該關節驅動輸入輪對應配合的第一軸上鎖緊推塊111、第一軸上鎖緊推塊112或第三軸上鎖緊推塊113中的一個及副關節驅動輸出輪124，以實現SMA彈簧驅動副關節驅動輸出輪124的選擇性并聯輸出，由于本實用新型的軸上鎖緊推塊與SMA彈簧驅動輸入輪間形成了間歇傳動，故在一定角度范圍內能實現無干涉的選擇性并聯輸出。

本實用新型通過上下兩組副關節驅動輪組的多種選擇性輸入，可實現主關節驅動輪組的順時針、逆時針方向多種輸出。