技术领域
[0001] 本
发明涉及仿生
机器人关节技术领域，具体涉及一种仿人肘关节结。
背景技术
[0002] 随着
机器人技术的发展，如康复机器人、穿戴式机器人、智能假肢、行走机器人等以人为中心的机器人越来越多，物理性
人机交互也随着增加，人机交互安全性和环境适应性也受到更广泛关注。为了满足机器人对控制
精度高、响应快、控制简易性的要求，通过
电机驱动方式保证机器人末端的执行精度，已被越来越多的机器人应用，但是，其还具有高
刚度的特点，而高刚度特性并不利于人机交互安全性的要求。
[0003] 从运动
生物力学
角度看，肌肉是人体运动系统的动力来源，并通过肌肉收缩的力量维持或完成动作的执行。肌肉具有非线性变刚度特性，能够缓冲一定的碰撞，还能吸收和存储
能量，因此，如果能够借鉴人体骨骼肌肉系统，设计具有仿生肌肉特性的关节，便可以改善传统机器人的高刚度特性，以提高人机交互的安全性和环境适应性。
[0004] 目前，现已有许多模仿骨骼肌的实现方式，如电致
聚合物类人工肌肉、形状记忆
合金、
气动人工肌肉、具有弹性元件的变刚度
驱动器等，但是上述模仿骨骼肌的实现方式仍无法完全模拟出人类关节的特性，不仅存在着输出力较小、重量大、运动范围小、刚度较小等不足之处，还存在有结构复杂，体积大，组装繁琐等
缺陷。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 为了解决
现有技术的上述问题，本发明提供一种仿人肘关节，其结构简单、体积小、组装方便、灵活，能够模拟具有非线性变刚度肌肉特性的关节，有效提高人机交互的安全性和环境适应性。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
[0009] 一种仿人肘关节，其包括小臂(1)、大臂(11)和肘关节转动组件，所述小臂(1)与大臂(11)的一端通过中
心轴(9)套接在一起，所述肘关节转动组件包括滑杆(2)、
弹簧片(6)、滑槽架(7)、
连杆(15)、第一
丝杠(17)、第一
驱动电机(18)；所述滑杆(2)的两端卡在所述小臂(1)前端两侧开设的让位滑槽(5)内，中间固定连接所述弹
簧片(6)的一端，所述弹簧片(6)的另一端固定连接在靠近所述滑槽架(7)前端的表面上，所述滑槽架(7)设于所述小臂(1)与所述大臂(11)连接处的空腔内，所述滑槽架(7)的中间通过
轴承套在所述中心轴(9)上，所述滑槽架(7)末端连接所述连杆(15)的一端，所述连杆(15)的另一端连接有滑
块(16)，所述滑块(16)固定连接于第一丝杠(17)的末端，所述第一丝杠(17)固定连接所述第一驱动电机(18)，所述第一驱动电机(18)固定在所述大臂(11)的另一端内侧。
[0010] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，还包括刚度变化执行组件，所述刚度变化执行组件包括移动滑座(3)、第二丝杠(20)和第二驱动电机(10)，所述移动滑座(3)的中间设有至少一对限位杆(4)，所述弹簧片(6)穿过所述一对限位杆(4)之间的缝隙，所述移动滑座(3)的两侧面均设有凸起(12)，该凸起(12)卡合固定于所述滑槽架(7)前端两侧边开设的滑道内；所述第二驱动电机固定设于所述滑槽架(7)末端，并靠近所述中心轴(9)
位置设置，所述第二驱动电机通过所述第二丝杠(20)连接移动滑座(3)。
[0011] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述弹簧片(6)设为两个，分别在所述滑槽架(7)的上、下两侧对称设置，对应地，所述移动滑座(3)的上、下端各设有两个限位杆(4)，所述滑杆(2)设为两个，所述让位滑槽(5)在同一侧面上下开设有两个。
[0012] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述凸起(12)在一侧面均设有两个。
[0013] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述凸起(12)设为方形或圆柱形。
[0014] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，在所述大臂(11)的连接两平行臂的内壁上平行设有直线
导轨(14)，所述滑块(16)滑动地固定于所述
直线导轨(14)上。
[0015] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述连杆(15)与所述滑槽架(7)的回转中心相对于所述滑槽架(7)的中心线偏置。
[0016] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述滑块(16)与所述连杆(15)
铰链连接，所述连杆(15)与所述滑槽架(7)铰链连接。
[0017] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述连杆(15)包括一体合成的U型连接件与
连接杆，所述U型连接件的开口端可上下转动地连接于所述滑槽架(7)末端，所述U型连接件开口端的两支臂弯曲设置，所述连接杆铰链连接所述滑块(16)。
[0018] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述U型连接件的开口端在两内
侧壁上设有卡接柱，在所述滑槽架(7)末端两侧上设有与所述卡接柱相互适配的通孔，所述卡接柱穿过通孔，在所述卡接柱的末端设有卡销。
[0019] 作为如上所述仿人肘关节的一种优选方案，所述大臂(11)、小臂(1)与人体的肘关节尺寸基本一致。
[0020] (三)有益效果
[0021] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的仿人肘关节不但在功能上能够模拟具有非线性变刚度肌肉特性的关节，而且在尺寸上与人体的肘关节一致，最大地实现了仿人结构；本发明采用弹簧片作为刚度调节部件，且弹簧片作为力传递部件，其刚度会根据作用长度变化而改变，为满足弹簧片作用长度的调节，本发明通过电机与丝杠配合使用，并通过移动滑座的滑移便可轻松调整弹簧片的作用长度。
[0022] 本发明可实现在刚度不变的情况下，仅令关节结构发生转动，即满足恒刚度条件下关节结构的位置调整；本发明还可实现在关节结构不发生转动的情况下，仅改变关节结构的刚度，从而满足设定刚度条件下的关节工作要求。本发明结构简单、安装方便、灵活，体积小，重量轻，生产成本大大降低，使用方便。
附图说明
[0023] 图1为本发明一优选仿人肘关节的结构示意图；
[0024] 图2为去掉弹簧片的滑槽架处的结构示意图；
[0025] 图3为本发明的一优选仿人肘关节立体的结构示意图；
[0026] 图4为移动滑座的结构示意图；
[0027] 图5为本发明一优选仿人肘关节转动时的示意图。
[0028] 【附图标记说明】
[0029] 1：小臂；
[0030] 2：滑杆；
[0031] 3：移动滑座；
[0032] 4：限位杆；
[0033] 5：让位滑槽；
[0034] 6：弹簧片；
[0035] 7：滑槽架；
[0036] 8：第二电机支座；
[0037] 9：中心轴；
[0038] 10：第二驱动电机；
[0039] 11：大臂；
[0040] 12：凸起；
[0041] 13：轴承；
[0042] 14：直线导轨；
[0043] 15：连杆；
[0044] 16：滑块；
[0045] 17：第一丝杠；
[0046] 18：第一驱动电机；
[0047] 19：滑道；
[0049] 21：缝隙。
具体实施方式
[0050] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0052] 如图1所示，一种仿人肘关节，其包括小臂1、大臂11、肘关节转动组件，小臂1可设为U形
支架，大臂11可为中间由上表面部分连接的两平行支臂，大臂11的开口端与小臂1的开口端通过轴承套接在中心轴9上，通大臂11与中心轴9相垂直；小臂1与中心轴9相垂直，小臂1的开口端套在大臂11的平行支臂之间；肘关节转动组件包括滑杆2、弹簧片6、滑槽架7、连杆15、第一丝杠17、第一驱动电机18；小臂1的前端两侧面上开设的让位滑槽5，滑杆2的两端卡在让位滑槽内，滑杆2可在让位滑槽内滑动，滑杆2中间固定连接弹簧片6的一端，弹簧片6的另一端固定连接在靠近滑槽架7前端的表面上；滑槽架7设于小臂1与大臂11之间的空腔内，滑槽架7的中间在两侧边上开设有槽，槽内嵌套有轴承13，该轴承13套在中心轴9上，将滑槽架7固定在中心轴9上，滑槽架7可绕中心轴9转动；滑槽架7末端固定连接连杆15的一端，连杆15的另一端与滑块16连接，滑块16固定于第一丝杠17的末端，第一驱动电机18固定连接第一丝杠17，第一驱动电机18固定安装在大臂11的末端内侧。
[0053] 仿人肘关节还设有刚度变化执行组件，其设于滑槽架内，所述刚度变化执行组件用于改变所述弹簧片的弹力，进而改变整个肘关节结构的刚性。如图2所示，刚度变化执行组件包括移动滑座3、第二丝杠20和第二驱动电机10，移动滑座3设于滑槽架7的前端，并可在滑槽架7的前端来回滑动，第二驱动电机10固定设于滑槽架7的末端，移动滑座3和第二驱动电机10之间通过第二丝杠20连接。具体地，移动滑座3的两平行板之间设有两个限位杆4，弹簧片6穿过两限位杆4之间的缝隙，移动滑座3两侧的平行板上设有凸起，该凸起卡合固定于滑槽架7前端两侧边上开设的滑道19内，凸起可设为方形或圆柱形；在移动滑座3的末端靠近中心轴9的位置设有第二电机座8，将第二驱动电机10固定设于第二电机座8内，第二驱动电机为丝杠电机，固定连接第二丝杠，第二丝杠20固定连接移动滑座3。第二驱动电机运转带动第二丝杠20伸缩，连带移动滑座3在滑道19内向前、向后滑动，这样弹簧片6位于限位杆4与滑杆2之间的长度会随之发生变化。
[0054] 在第一丝杆17与连杆15的连接处设有一滑块16，在大臂11上的用于连接两平行支臂上表面的内侧固定有直线导轨14，直线导轨14于大臂11中居中平行设置，将滑块16固定在直线导轨14上，滑块16可在直线导轨上沿直线导轨滑动。第一丝杆17与滑块16固定连接，滑块16通过铰链与连杆15连接。滑块起导向作用，使丝杆传动精度高。
[0055] 使肘关节向一个方向旋转，连杆15另一端通过铰链与滑槽架7连接，连杆15与滑槽架7的回转中心相对于滑槽架7的中心线偏置，也就是说，连杆15与滑槽架7的回转中心与滑槽架7的中心线不在一直线上设置，连杆15与滑块16的回转中心在滑槽架7的中心线上设置。
[0056] 本发明的使用过程如下：
[0057] A.在刚度不变的情况下，仅令本发明的仿人肘关节发生转动：
[0058] 启动第一驱动电机18，通过第一驱动电机18带动第一电机丝杠17转动，进而带动滑块16移动，通过滑块16的移动带动连杆15转动，进而带动滑槽架7转动，此时第二驱动电机10随滑槽架7一起转动，通过滑槽架7转动带动弹簧片6发生形变，此时限位杆4位置不变，即移动滑座3没有位移，通过弹簧片6形变带动滑杆2转动，进而带动小臂1转动。
[0059] B.在本发明的关节结构不发生转动的情况下，改变关节结构的刚度：
[0060] 启动第二驱动电机10，通过第二驱动电机10带动第二丝杠20转动，进而带动移动滑座3移动，通过移动滑座3的移动改变弹簧片6位于限位杆4与滑杆2之间的长度，由于位于限位杆4与滑杆2之间的弹簧片6是用于传递作用力的，而弹簧片6在力传递过程中，其刚度完全由其长度决定，当移动滑座3向中心轴9方向移动时，位于限位杆4与滑杆2之间的弹簧片6长度变长，其刚度变小，反之，当移动滑座3远离中心轴9方向移动时，位于限位杆4与滑杆2之间的弹簧片6长度变短，其刚度变大。
[0061] 通过上述方式调整好位于限位杆4与滑杆2之间的弹簧片6相应长度后，当小臂1受到外力使关节结构被迫转动时，弹簧片6会发生弯曲，此时滑杆2会在让位滑槽内滑动实现随动，直到弹簧片6的弯曲程度稳定，此时，本发明的仿人轴关节完全满足了设定刚度条件下的关节工作要求。
[0062] 实施例2
[0063] 为了使仿人肘关节的结构更加稳定，整个刚度更加容易控制，在实施例1的
基础上，将弹簧片的设为两片，如图3所示，两弹簧片6在滑槽架7的上、下两侧对称设置，相应的，滑杆2对应设为两个，在小臂前端开设有两个让位滑槽5，同时，将移动滑座3的上、下端各设有两个限位杆4，具体如图4所示，相邻的两个限位杆4之间间隔有缝隙21，弹簧片6穿过该缝隙，弹簧片6的一端固定相对应位置的滑杆2中间，另一端固定在靠近滑槽架7前端的表面上；移动滑座的两侧边上均设有两个凸起12，凸起12可嵌合在滑动架两侧边设置的滑道19内滑动，设置为两个凸起，使结构更加稳定。
[0064] 连杆和滑块铰链连接，如图5所示，具体连杆15可设为由一体合成的U型连接件与连接杆组成，U型连接件的开口端固定连接于所述滑槽架末端，U型连接件开口端的两支臂弯曲设置，这样U型件可以防止与从第二驱动电机伸出的第二丝杠产生碰撞，同时可以增大小臂的旋转角度，通过在U型连接件的两支臂上、靠近开口端向内设有卡接柱，在滑槽架末端两侧壁上设有与卡接柱相互适配的通孔，卡接柱穿过通孔，在卡接柱的末端设有卡销，将U型连接件稳定固定于滑槽架上，且不会从滑槽架上脱落；连接杆固定连接所述滑块。滑块与所述连杆通过铰链连接。
[0065] 本发明的仿人肘关节可用于连接在机器人上使用，通过大臂直接与肩关节连接。
[0066] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
