一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统

摘要

本发明涉及一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，具有完全模拟人关节运动的功能。所述的基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统主要由气动肌肉、直线气缸、带轮、带、锥齿轮、连接件、气动马达、气爪、气动肌肉以及控制系统组成。多关节气动肌肉既可以通过带轮、带直接驱动或者差动转速驱动肩关节、肘关节、腕关节，也可以与气动马达一起驱动肩关节、肘关节、腕关节。直线气缸与气动肌肉并联作为基本模块，先并联后串联组建腰关节。本发明专利以气动肌肉驱动，具有结构紧凑、柔顺性好、自由度多的特点，可用于教学演示、医疗诊断、运动员运动训练。

权利要求

1.一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，包括：腰关节(2)，所述腰关节(2)的上部侧面分别设置左上肢关节(1‑1)和右上肢关节(1‑

2)，下部两侧分别设置左下肢关节(3‑1)和右下肢关节(3‑2)，所述左上肢关节(1‑1)和右上肢关节(1‑2)结构相同，且互为镜像，所述左下肢关节(3‑1)和右下肢关节(3‑2)结构相同，且互为镜像；

所述腰关节(2)的第一层连接板(6)和第二层连接板(8)之间的腰关节第一并联机构(4)、腰关节第三并联机构(7)并联，所述第二层连接板(8)和第三层连接板(10)之间的腰关节第二并联机构(5)、腰关节第四并联机构(9)并联，所述腰关节第一并联机构(4)、腰关节第三并联机构(7)、腰关节第二并联机构(5)、腰关节第四并联机构(9)的结构相同，所述腰关节第一并联机构(4)的直线气缸一(11)、气动肌肉一(12)、气动肌肉二(13)、气动肌肉三(15)、直线气缸二(16)、直线气缸三(17)分别可转动连接上端连接板(14)和下端连接板(18)的两端；

所述第三层连接板(10)分别固定连接左下肢关节(3‑1)和右下肢关节(3‑2)的大腿连接板(29)，所述大腿连接板(29)可转动连接髋关节转动轴(28)，所述髋关节转动轴(28)固定连接下肢转动轮一(19)，所述大腿连接板(29)可转动连接膝关节转动轴(32)，所述膝关节转动轴(32)分别固定连接下肢转动轮二(22)、下肢转动轮四(33)、小腿连接板(36)，所述小腿连接板(36)可转动连接踝关节转动轴(37)，所述踝关节转动轴(37)分别固定连接下肢转动轮三(25)、踝关节连接板(38)，所述踝关节连接板(38)固定连接脚(39)，所述下肢转动轮一(19)通过绳索连接气动肌肉长肌一(20)、气动肌肉长肌二(21)的一端，所述气动肌肉长肌一(20)、气动肌肉长肌二(21)的另一端通过绳索连接下肢转动轮二(22)，所述下肢转动轮一(19)通过绳索连接气动肌肉短肌三(30)、气动肌肉短肌四(31)的一端，所述气动肌肉短肌三(30)、气动肌肉短肌四(31)另一端固定在大腿连接板(29)上，所述下肢转动轮二(22)通过绳索连接气动肌肉长肌三(23)、气动肌肉长肌四(24)的一端，所述气动肌肉长肌三(23)、气动肌肉长肌四(24)的另一端通过绳索连接下肢转动轮三(25)，所述膝关节转动轴(32)通过绳索连接气动肌肉短肌五(34)、气动肌肉短肌六(35)的一端，所述气动肌肉短肌五(34)、气动肌肉短肌六(35)的另一端固定连接到小腿连接板(36)上，所述下肢转动轮三(25)通过绳索连接气动肌肉短肌一(26)、气动肌肉短肌二(27)的一端，所述气动肌肉短肌一(26)、气动肌肉短肌二(27)的另一端固定连接到踝关节连接板(38)上；

所述第一层连接板(6)分别固定连接左上肢关节(1‑1)和右上肢关节(1‑2)的气动马达一(40)的壳体，所述气动马达一(40)的转动轴固定连接肩关节连接件(41)，所述肩关节连接件(41)固定连接肩关节转动轴二(54)，所述肩关节转动轴二(54)固定连接锥齿轮二(55)，所述肩关节转动轴二(54)可转动连接连接板二(53)，所述连接板二(53)分别固定连接连接板一(52)、连接板三(67)，所述锥齿轮二(55)分别啮合锥齿轮一(51)、锥齿轮三(68)，所述锥齿轮一(51)固定连接肩关节转动轴一(50)，所述肩关节转动轴一(50)固定连接带轮二(49)，所述肩关节转动轴一(50)分别可转动连接长连接板一(48)、连接板一(52)，所述锥齿轮三(68)固定连接肩关节转动轴三(65)，所述肩关节转动轴三(65)固定连接带轮四(66)，所述肩关节转动轴三(65)分别可转动连接长连接板二(60)、连接板三(67)，所述长连接板一(48)和长连接板二(60)分别可转动连接肘关节转动轴一(83)，所述肘关节转动轴一(83)分别固定连接肘转动轮一(46)、带轮一(47)、肘转动轮四(62)、带轮三(63)、带轮八(77)、带轮九(78)，所述左上肢关节(1‑1)的短连接板一(61)和短连接板二(71)分别可转动连接肘关节转动轴二(75)的转动轴，所述肘关节转动轴二(75)分别固定连接气动马达二(44)的转动轴、气动马达三(59)的转动轴、带轮五(70)、带轮八(77)、带轮九(78)，所述气动马达三(59)的缸体固定在长连接板二(60)上，所述气动马达二(44)的缸体固定在长连接板一(48)上，所述长连接板一(48)和长连接板二(60)分别可转动连接腕关节转动轴(81)，所述腕关节转动轴(81)分别固定连接腕转动轮一(42)、腕转动轮二(56)、带轮十(79)、腕关节连接件(80)，所述左上肢关节(1‑1)的带轮六(73)和带轮十(79)、带轮五(70)和带轮八(77)、带轮七(74)和带轮九(78)、带轮一(47)和带轮二(49)、带轮三(63)和带轮四(66)分别通过皮带五(69)、皮带三(72)、皮带四(76)、皮带一(84)、皮带二(64)实现啮合传动，所述腕关节连接件(80)固定连接气爪(82)，所述腕转动轮一(42)通过绳索连接肘腕气动肌肉一(43)、肘腕气动肌肉二(45)的一端，所述肘腕气动肌肉一(43)、肘腕气动肌肉二(45)的另一端通过绳索连接肘转动轮一(46)，所述腕转动轮二(56)通过绳索连接肘腕气动肌肉三(57)、肘腕气动肌肉四(58)的一端，所述肘腕气动肌肉三(57)、肘腕气动肌肉四(58)的另一端通过绳索连接肘转动轮四(62)；

计算机(85)，所述计算机(85)分别连接上肢关节控制系统(86)、腰关节控制系统(87)、下肢关节控制系统(88)。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述第一层连接板(6)、第二层连接板(8)和第三层连接板(10)分别为长方形板。

3.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述上端连接板(14)和下端连接板(18)分别为圆盘。

4.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述直线气缸一(11)、气动肌肉一(12)、气动肌肉二(13)、气动肌肉三(15)、直线气缸二(16)、直线气缸三(17)均匀分布在上端连接板(14)和下端连接板(18)的四周。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述下肢转动轮一(19)、下肢转动轮二(22)、下肢转动轮三(25)为双槽轮，所述膝关节转动轴(32)为单槽轮。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述气动肌肉长肌一(20)、气动肌肉长肌二(21)大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌三(30)、气动肌肉短肌四(31)大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉长肌三(23)、气动肌肉长肌四(24)大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌五(34)、气动肌肉短肌六(35)大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌一(26)、气动肌肉短肌二(27)大小相同，相互平行，成组设置。

7.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述腕关节连接件(80)为U形，开口处夹紧带轮十(79)。

8.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述肘腕气动肌肉三(57)、肘腕气动肌肉四(58)大小相同，成组设置，相互平行，所述肘腕气动肌肉一(43)、肘腕气动肌肉二(45)大小相同，成组设置，相互平行。

9.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述第一层连接板(6)、第二层连接板(8)、第三层连接板(10)、上端连接板(14)、下端连接板(18)、下肢转动轮一(19)、下肢转动轮二(22)、下肢转动轮三(25)、髋关节转动轴(28)、大腿连接板(29)、膝关节转动轴(32)、下肢转动轮四(33)、小腿连接板(36)、踝关节转动轴(37)、踝关节连接板(38)、脚(39)、肩关节连接件(41)、腕转动轮一(42)、肘转动轮一(46)、带轮一(47)、长连接板一(48)、带轮二(49)、肩关节转动轴一(50)、锥齿轮一(51)、连接板一(52)、连接板二(53)、肩关节转动轴二(54)、锥齿轮二(55)、腕转动轮二(56)、长连接板二(60)、短连接板一(61)、肘转动轮四(62)、肩关节转动轴三(65)、带轮四(66)、连接板三(67)、锥齿轮三(68)、带轮五(70)、短连接板二(71)、带轮六(73)、带轮七(74)、肘关节转动轴二(75)、带轮八(77)、带轮九(78)、带轮十(79)、腕关节连接件(80)、腕关节转动轴(81)、肘关节转动轴一(83)的材料为铝合金。

10.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，其特征在于，所述上肢关节控制系统(86)分别控制左上肢关节(1‑1)和右上肢关节(1‑2)的气动马达一(40)、肘腕气动肌肉一(43)、肘腕气动肌肉二(45)、肘腕气动肌肉三(57)、肘腕气动肌肉四(58)、气动马达二(44)、气动马达三(59)、气爪(82)；

所述腰关节控制系统(87)分别控制腰关节第一并联机构(4)、腰关节第三并联机构(7)、腰关节第二并联机构(5)、腰关节第四并联机构(9)的直线气缸一(11)、气动肌肉一(12)、气动肌肉二(13)、气动肌肉三(15)、直线气缸二(16)、直线气缸三(17)；

所述下肢关节控制系统(88)分别控制左下肢关节(3‑1)和右下肢关节(3‑2)的气动肌肉长肌一(20)、气动肌肉长肌二(21)、气动肌肉短肌三(30)、气动肌肉短肌四(31)、气动肌肉长肌三(23)、气动肌肉长肌四(24)、气动肌肉短肌五(34)、气动肌肉短肌六(35)、气动肌肉短肌一(26)、气动肌肉短肌二(27)。

说明书

一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人设备技术领域，特别是一种结构紧凑、柔顺性好、自由度多的基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统。

背景技术

[0002] 柔性机器人由于具有较好的柔顺性，在复杂环境运动过程中，如果与外界发生碰撞，由于其自身具有较好的柔顺性而避免刚性损坏。气动肌肉由于具有较好的柔顺性，在柔
性机器人领域具有较多的应用。

[0003] 仿生机器人是机器人领域一个重要的研究领域，由于在设计机器人的过程中，往往吸取生物的优势进行设计，而生物的这些优势进化几千年，为适应外部环境进化而来。

[0004] 中国专利CN107550688B，申请号：201710944285.8，公开一种基于气动肌肉仿人型机器人，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝
关节的运动，具有完全模拟人运动的功能。提出气动肌肉以拮抗肌形式驱动关节，根据气动
肌肉驱动关节的数量可以分为单关节气动肌肉、多关节气动肌肉。本申请中提出在已有专
利的基础上，提出单关节气动肌肉、多关节气动肌肉另外一种结构模式。

[0005] 中国专利CN110434846B，涉及一种基于气动的仿人机器人系统，下肢装置连接腰部装置，腰部装置连接上肢装置；下肢装置的第一横向气缸通过第二横向气缸连接第三横
向气缸，第一横向气缸，第二横向气缸和第三横向气缸两两相互垂直；第二横向气缸通过第
一连接件连接相互平行的第二纵向气缸和第五纵向气缸，第二纵向气缸两端分别垂直连接
第一纵向气缸和第三纵向气缸，第五纵向气缸两端分别垂直连接第四纵向气缸和第六纵向
气缸。CN107550688B，公开一种基于气动肌肉仿人型机器人，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动
肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，具有完全模拟人运动的功
能。CN110682305B，涉及一种仿人型机器人系统，腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下
端两侧分别设置下肢装置，以气缸、气动肌肉和弹簧组合体驱动仿人机器人的上肢装置、腰
关节装置、下肢装置的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由气缸、带轮、连接件、气
动肌肉和弹簧组合体、连接板、气爪等组成。摆动气缸之间结合，摆动气缸与带传动结合，气
爪驱动上肢系统，气动肌肉和弹簧组合体和直线气缸驱动腰关节系统，直线气缸、直线气缸
与杆结构结合驱动下肢系统。单上肢系统、腰关节系统、单下肢系统分别具有5、7、12个自由
度，整个机器人共计41个自由度。CN110936367B，涉及一种气动仿人机器人系统，以气缸驱
动仿人机器人的髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节的运动，具有完全
模拟人的关节运动的功能。由直线气缸、摆动气缸、带轮、丝杠、锥齿轮、齿形带、齿形轮以及
连接件组成。髋关节和肩关节由摆动气缸通过带轮驱动，膝关节由丝杠和气缸组合驱动，脚
关节由多根气缸驱动，肘关节由摆动气缸驱动，腕关节由两组变距离摆动部件和气缸并联
机构组成；髋关节、膝关节、脚关节、腰关节、肩关节、肘关节、腕关节分别具有2、1、4、6、2、1、
4个自由度，全身共计34个自由度。均提出基于气动肌肉或者气缸并联的腰关节，但是实际
的腰关节则既有保持刚度的骨骼，又有柔性驱动的肌肉。

[0006] 需要一种结构紧凑、柔顺性好、自由度多的基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种结构紧凑、柔顺性好、自由度多的基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统。

[0008] 一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，包括：

[0009] 腰关节，所述腰关节的上部侧面分别设置左上肢关节和右上肢关节，下部两侧分别设置左下肢关节和右下肢关节，所述左上肢关节和右上肢关节结构相同，且互为镜像，所
述左下肢关节和右下肢关节结构相同，且互为镜像；

[0010] 所述腰关节的第一层连接板和第二层连接板之间的腰关节第一并联机构、腰关节第三并联机构并联，所述第二层连接板和第三层连接板之间的腰关节第二并联机构、腰关
节第四并联机构并联，所述腰关节第一并联机构、腰关节第三并联机构、腰关节第二并联机
构、腰关节第四并联机构的结构相同，所述腰关节第一并联机构的直线气缸一、气动肌肉
一、气动肌肉二、气动肌肉三、直线气缸二、直线气缸三分别可转动连接上端连接板和下端
连接板的两端；

[0011] 所述第三层连接板分别固定连接左下肢关节和右下肢关节的大腿连接板，所述大腿连接板可转动连接髋关节转动轴，所述髋关节转动轴固定连接下肢转动轮一，所述大腿
连接板可转动连接膝关节转动轴，所述膝关节转动轴分别固定连接下肢转动轮二、下肢转
动轮四、小腿连接板，所述小腿连接板可转动连接踝关节转动轴，所述踝关节转动轴分别固
定连接下肢转动轮三、踝关节连接板，所述踝关节连接板固定连接脚，所述下肢转动轮一通
过绳索连接气动肌肉长肌一、气动肌肉长肌二的一端，所述气动肌肉长肌一、气动肌肉长肌
二的另一端通过绳索连接下肢转动轮二，所述下肢转动轮一通过绳索连接气动肌肉短肌
三、气动肌肉短肌四的一端，所述气动肌肉短肌三、气动肌肉短肌四另一端固定在大腿连接
板上，所述下肢转动轮二通过绳索连接气动肌肉长肌三、气动肌肉长肌四的一端，所述气动
肌肉长肌三、气动肌肉长肌四的另一端通过绳索连接下肢转动轮三，所述膝关节转动轴通
过绳索连接气动肌肉短肌五、气动肌肉短肌六的一端，所述气动肌肉短肌五、气动肌肉短肌
六的另一端固定连接到小腿连接板上，所述下肢转动轮三通过绳索连接气动肌肉短肌一、
气动肌肉短肌二的一端，所述气动肌肉短肌一、气动肌肉短肌二的另一端固定连接到踝关
节连接板上；

[0012] 所述第一层连接板分别固定连接左上肢关节和右上肢关节的气动马达一的壳体，所述气动马达一的转动轴固定连接肩关节连接件，所述肩关节连接件固定连接肩关节转动
轴二，所述肩关节转动轴二固定连接锥齿轮二，所述肩关节转动轴二可转动连接连接板二，
所述连接板二分别固定连接连接板一、连接板三，所述锥齿轮二分别啮合锥齿轮一、锥齿轮
三，所述锥齿轮一固定连接肩关节转动轴一，所述肩关节转动轴一固定连接带轮二，所述肩
关节转动轴一分别可转动连接长连接板一、连接板一，所述锥齿轮三固定连接肩关节转动
轴三，所述肩关节转动轴三固定连接带轮四，所述肩关节转动轴三分别可转动连接长连接
板二、连接板三，所述长连接板一和长连接板二分别可转动连接肘关节转动轴一，所述肘关
节转动轴一分别固定连接肘转动轮一、带轮一、肘转动轮四、带轮三、带轮八、带轮九，所述
左上肢关节的短连接板一和短连接板二分别可转动连接肘关节转动轴二的转动轴，所述肘
关节转动轴二分别固定连接气动马达二的转动轴、气动马达三的转动轴、带轮五、带轮八、
带轮九，所述气动马达三的缸体固定在长连接板二上，所述气动马达二的缸体固定在长连
接板一上，所述长连接板一和长连接板二分别可转动连接腕关节转动轴，所述腕关节转动
轴分别固定连接腕转动轮一、腕转动轮二、带轮十、腕关节连接件，所述左上肢关节的带轮
六和带轮十、带轮五和带轮八、带轮七和带轮九、带轮一和带轮二、带轮三和带轮四分别通
过皮带五、皮带三、皮带四、皮带一、皮带二实现啮合传动，所述腕关节连接件固定连接气
爪，所述腕转动轮一通过绳索连接肘腕气动肌肉一、肘腕气动肌肉二的一端，所述肘腕气动
肌肉一、肘腕气动肌肉二的另一端通过绳索连接肘转动轮一，所述腕转动轮二通过绳索连
接肘腕气动肌肉三、肘腕气动肌肉四的一端，所述肘腕气动肌肉三、肘腕气动肌肉四的另一
端通过绳索连接肘转动轮四；

[0013] 计算机，所述计算机分别连接上肢关节控制系统、腰关节控制系统、下肢关节控制系统。

[0014] 所述第一层连接板、第二层连接板和第三层连接板分别为长方形板。

[0015] 所述上端连接板和下端连接板分别为圆盘。

[0016] 所述直线气缸一、气动肌肉一、气动肌肉二、气动肌肉三、直线气缸二、直线气缸三均匀分布在上端连接板和下端连接板的四周。

[0017] 所述下肢转动轮一、下肢转动轮二、下肢转动轮三为双槽轮，所述膝关节转动轴为单槽轮。

[0018] 所述气动肌肉长肌一、气动肌肉长肌二大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌三、气动肌肉短肌四大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉长肌三、气动肌
肉长肌四大小相同，相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌五、气动肌肉短肌六大小相同，
相互平行，成组设置，所述气动肌肉短肌一、气动肌肉短肌二大小相同，相互平行，成组设
置。

[0019] 所述腕关节连接件为U形，开口处夹紧带轮十。

[0020] 所述肘腕气动肌肉三、肘腕气动肌肉四大小相同，成组设置，相互平行，所述肘腕气动肌肉一、肘腕气动肌肉二大小相同，成组设置，相互平行。

[0021] 所述第一层连接板、第二层连接板、第三层连接板、上端连接板、下端连接板、下肢转动轮一、下肢转动轮二、下肢转动轮三、髋关节转动轴、大腿连接板、膝关节转动轴、下肢
转动轮四、小腿连接板、踝关节转动轴、踝关节连接板、脚、肩关节连接件、腕转动轮一、肘转
动轮一、带轮一、长连接板一、带轮二、肩关节转动轴一、锥齿轮一、连接板一、连接板二、肩
关节转动轴二、锥齿轮二、腕转动轮二、长连接板二、短连接板一、肘转动轮四、肩关节转动
轴三、带轮四、连接板三、锥齿轮三、带轮五、短连接板二、带轮六、带轮七、肘关节转动轴二、
带轮八、带轮九、带轮十、腕关节连接件、腕关节转动轴、肘关节转动轴一的材料为铝合金。

[0022] 所述上肢关节控制系统分别控制左上肢关节和右上肢关节的气动马达一、肘腕气动肌肉一、肘腕气动肌肉二、肘腕气动肌肉三、肘腕气动肌肉四、气动马达二、气动马达三、
气爪；

[0023] 所述腰关节控制系统分别控制腰关节第一并联机构、腰关节第三并联机构、腰关节第二并联机构、腰关节第四并联机构的直线气缸一、气动肌肉一、气动肌肉二、气动肌肉
三、直线气缸二、直线气缸三；

[0024] 所述下肢关节控制系统分别控制左下肢关节和右下肢关节的气动肌肉长肌一、气动肌肉长肌二、气动肌肉短肌三、气动肌肉短肌四、气动肌肉长肌三、气动肌肉长肌四、气动
肌肉短肌五、气动肌肉短肌六、气动肌肉短肌一、气动肌肉短肌二。

[0025] 本发明公开了一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，以气动肌肉模拟人的肌肉驱动肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，具有完全模拟人
关节运动的功能。所述的基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统主要由气动肌肉、直线气
缸、带轮、带、锥齿轮、连接件、气动马达、气爪、气动肌肉以及控制系统组成。多关节气动肌
肉既可以通过带轮、带直接驱动或者差动转速驱动肩关节、肘关节、腕关节，也可以与气动
马达一起驱动肩关节、肘关节、腕关节。直线气缸与气动肌肉并联作为基本模块，先并联后
串联组建腰关节。单关节气动肌肉通过多关节气动肌肉，与多关节气动肌肉、单关节气动肌
肉一起驱动小腿转动；单关节与多关节气动肌肉一起驱动踝关节转动。本发明专利以气动
肌肉驱动，具有结构紧凑、柔顺性好、自由度多的特点，可用于教学演示、医疗诊断、运动员
运动训练。

[0026] 本发明的有益效果是：

[0027] 1.本发明利用多关节气动肌肉既可以通过带轮、带直接驱动或者差动转速驱动肩关节、肘关节、腕关节，也可以与气动马达一起驱动肩关节、肘关节、腕关节；

[0028] 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；

[0029] 3.本发明利用单关节气动肌肉通过多关节气动肌肉，与多关节气动肌肉、单关节气动肌肉一起驱动小腿转动；单关节与多关节气动肌肉一起驱动踝关节转动。可以形象地
模拟人下肢可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体下肢每根肌肉在下肢运动中
的作用。

附图说明

[0030] 图1是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人整体机械结构图；

[0031] 图2是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人腰关节机械结构图；

[0032] 图3是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人单层腰关节机械结构图；

[0033] 图4是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人腰关节单个组件机械结构图；

[0034] 图5是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人下肢机械结构图；

[0035] 图6是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人上肢连接机械结构图；

[0036] 图7是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人单上肢结构图；

[0037] 图8是基于气动肌肉与气缸冗余的机器人控制系统示意图；

[0038] 图中：左上肢关节(1‑1)、右上肢关节(1‑2)、腰关节(2)、左下肢关节(3‑1)、右下肢关节(3‑2)、腰关节第一并联机构(4)、腰关节第二并联机构(5)、第一层连接板(6)、腰关节
第三并联机构(7)、第二层连接板(8)、腰关节第四并联机构(9)、第三层连接板(10)、直线气
缸一(11)、气动肌肉一(12)、气动肌肉二(13)、上端连接板(14)、气动肌肉三(15)、直线气缸
二(16)、直线气缸三(17)、下端连接板(18)、下肢转动轮一(19)、气动肌肉长肌一(20)、气动
肌肉长肌二(21)、下肢转动轮二(22)、气动肌肉长肌三(23)、气动肌肉长肌四(24)、下肢转
动轮三(25)、气动肌肉短肌一(26)、气动肌肉短肌二(27)、髋关节转动轴(28)、大腿连接板
(29)、气动肌肉短肌三(30)、气动肌肉短肌四(31)、膝关节转动轴(32)、下肢转动轮四(33)、
气动肌肉短肌五(34)、气动肌肉短肌六(35)、小腿连接板(36)、踝关节转动轴(37)、踝关节
连接板(38)、脚(39)、气动马达一(40)、肩关节连接件(41)、腕转动轮一(42)、肘腕气动肌肉
一(43)、气动马达二(44)、肘腕气动肌肉二(45)、肘转动轮一(46)、带轮一(47)、长连接板一
(48)、带轮二(49)、肩关节转动轴一(50)、锥齿轮一(51)、连接板一(52)、连接板二(53)、肩
关节转动轴二(54)、锥齿轮二(55)、腕转动轮二(56)、肘腕气动肌肉三(57)、肘腕气动肌肉
四(58)、气动马达三(59)、长连接板二(60)、短连接板一(61)、肘转动轮四(62)、带轮三
(63)、皮带二(64)、肩关节转动轴三(65)、带轮四(66)、连接板三(67)、锥齿轮三(68)、皮带
五(69)、带轮五(70)、短连接板二(71)、皮带三(72)、带轮六(73)、带轮七(74)、肘关节转动
轴二(75)、皮带四(76)、带轮八(77)、带轮九(78)、带轮十(79)、腕关节连接件(80)、腕关节
转动轴(81)、气爪(82)、肘关节转动轴一(83)、皮带一(84)、计算机(85)、上肢关节控制系统
(86)、腰关节控制系统(87)、下肢关节控制系统(88)。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

[0040] 一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统，包括：腰关节2，腰关节2的上部侧面分别设置左上肢关节1‑1和右上肢关节1‑2，下部两侧分别设置左下肢关节3‑1和右下肢关
节3‑2，左上肢关节1‑1和右上肢关节1‑2结构相同，且互为镜像，所述左下肢关节3‑1和右下
肢关节3‑2结构相同，且互为镜像；腰关节2的第一层连接板6和第二层连接板8之间的腰关
节第一并联机构4、腰关节第三并联机构7并联，第二层连接板8和第三层连接板10之间的腰
关节第二并联机构5、腰关节第四并联机构9并联，腰关节第一并联机构4、腰关节第三并联
机构7、腰关节第二并联机构5、腰关节第四并联机构9的结构相同，腰关节第一并联机构4的
直线气缸一11、气动肌肉一12、气动肌肉二13、气动肌肉三15、直线气缸二16、直线气缸三17
分别可转动连接上端连接板14和下端连接板18的两端；

[0041] 第三层连接板10分别固定连接左下肢关节3‑1和右下肢关节3‑2的大腿连接板29，大腿连接板29可转动连接髋关节转动轴28，髋关节转动轴28固定连接下肢转动轮一19，大
腿连接板29可转动连接膝关节转动轴32，膝关节转动轴32分别固定连接下肢转动轮二22、
下肢转动轮四33、小腿连接板36，小腿连接板36可转动连接踝关节转动轴37，踝关节转动轴
37分别固定连接下肢转动轮三25、踝关节连接板38，踝关节连接板38固定连接脚39，下肢转
动轮一19通过绳索连接气动肌肉长肌一20、气动肌肉长肌二21的一端，气动肌肉长肌一20、
气动肌肉长肌二21的另一端通过绳索连接下肢转动轮二22，下肢转动轮一19通过绳索连接
气动肌肉短肌三30、气动肌肉短肌四31的一端，气动肌肉短肌三30、气动肌肉短肌四31另一
端固定在大腿连接板29上，下肢转动轮二22通过绳索连接气动肌肉长肌三23、气动肌肉长
肌四24的一端，气动肌肉长肌三23、气动肌肉长肌四24的另一端通过绳索连接下肢转动轮
三25，膝关节转动轴32通过绳索连接气动肌肉短肌五34、气动肌肉短肌六35的一端，气动肌
肉短肌五34、气动肌肉短肌六35的另一端固定连接到小腿连接板36上，下肢转动轮三25通
过绳索连接气动肌肉短肌一26、气动肌肉短肌二27的一端，气动肌肉短肌一26、气动肌肉短
肌二27的另一端固定连接到踝关节连接板38上；

[0042] 第一层连接板6分别固定连接左上肢关节1‑1和右上肢关节1‑2的气动马达一40的壳体，气动马达一40的转动轴固定连接肩关节连接件41，肩关节连接件41固定连接肩关节
转动轴二54，肩关节转动轴二54固定连接锥齿轮二55，肩关节转动轴二54可转动连接连接
板二53，连接板二53分别固定连接连接板一52、连接板三67，锥齿轮二55分别啮合锥齿轮一
51、锥齿轮三68，锥齿轮一51固定连接肩关节转动轴一50，肩关节转动轴一50固定连接带轮
二49，肩关节转动轴一50分别可转动连接长连接板一48、连接板一52，锥齿轮三68固定连接
肩关节转动轴三65，肩关节转动轴三65固定连接带轮四66，肩关节转动轴三65分别可转动
连接长连接板二60、连接板三67，长连接板一48和长连接板二60分别可转动连接肘关节转
动轴一83，肘关节转动轴一83分别固定连接肘转动轮一46、带轮一47、肘转动轮四62、带轮
三63、带轮八77、带轮九78，左上肢关节1‑1的短连接板一61和短连接板二71分别可转动连
接肘关节转动轴二75的转动轴，肘关节转动轴二75分别固定连接气动马达二44的转动轴、
气动马达三59的转动轴、带轮五70、带轮八77、带轮九78，气动马达三59的缸体固定在长连
接板二60上，气动马达二44的缸体固定在长连接板一48上，长连接板一48和长连接板二60
分别可转动连接腕关节转动轴81，腕关节转动轴81分别固定连接腕转动轮一42、腕转动轮
二56、带轮十79、腕关节连接件80，左上肢关节1‑1的带轮六73和带轮十79、带轮五70和带轮
八77、带轮七74和带轮九78、带轮一47和带轮二49、带轮三63和带轮四66分别通过皮带五
69、皮带三72、皮带四76、皮带一84、皮带二64实现啮合传动，腕关节连接件80固定连接气爪
82，腕转动轮一42通过绳索连接肘腕气动肌肉一43、肘腕气动肌肉二45的一端，肘腕气动肌
肉一43、肘腕气动肌肉二45的另一端通过绳索连接肘转动轮一46，腕转动轮二56通过绳索
连接肘腕气动肌肉三57、肘腕气动肌肉四58的一端，肘腕气动肌肉三57、肘腕气动肌肉四58
的另一端通过绳索连接肘转动轮四62；计算机85，计算机85分别连接上肢关节控制系统86、
腰关节控制系统87、下肢关节控制系统88。

[0043] 第一层连接板6、第二层连接板8和第三层连接板10分别为长方形板。上端连接板14和下端连接板18分别为圆盘。直线气缸一11、气动肌肉一12、气动肌肉二13、气动肌肉三
15、直线气缸二16、直线气缸三17均匀分布在上端连接板14和下端连接板18的四周。下肢转
动轮一19、下肢转动轮二22、下肢转动轮三25为双槽轮，膝关节转动轴32为单槽轮。

[0044] 气动肌肉长肌一20、气动肌肉长肌二21大小相同，相互平行，成组设置，气动肌肉短肌三30、气动肌肉短肌四31大小相同，相互平行，成组设置，气动肌肉长肌三23、气动肌肉
长肌四24大小相同，相互平行，成组设置，气动肌肉短肌五34、气动肌肉短肌六35大小相同，
相互平行，成组设置，气动肌肉短肌一26、气动肌肉短肌二27大小相同，相互平行，成组设
置。腕关节连接件80为U形，开口处夹紧带轮十79。肘腕气动肌肉三57、肘腕气动肌肉四58大
小相同，成组设置，相互平行，肘腕气动肌肉一43、肘腕气动肌肉二45大小相同，成组设置，
相互平行。

[0045] 第一层连接板6、第二层连接板8、第三层连接板10、上端连接板14、下端连接板18、下肢转动轮一19、下肢转动轮二22、下肢转动轮三25、髋关节转动轴28、大腿连接板29、膝关
节转动轴32、下肢转动轮四33、小腿连接板36、踝关节转动轴37、踝关节连接板38、脚39、肩
关节连接件41、腕转动轮一42、肘转动轮一46、带轮一47、长连接板一48、带轮二49、肩关节
转动轴一50、锥齿轮一51、连接板一52、连接板二53、肩关节转动轴二54、锥齿轮二55、腕转
动轮二56、长连接板二60、短连接板一61、肘转动轮四62、肩关节转动轴三65、带轮四66、连
接板三67、锥齿轮三68、带轮五70、短连接板二71、带轮六73、带轮七74、肘关节转动轴二75、
带轮八77、带轮九78、带轮十79、腕关节连接件80、腕关节转动轴81、肘关节转动轴一83的材
料为铝合金。

[0046] 上肢关节控制系统86分别控制左上肢关节1‑1和右上肢关节1‑2的气动马达一40、肘腕气动肌肉一43、肘腕气动肌肉二45、肘腕气动肌肉三57、肘腕气动肌肉四58、气动马达
二44、气动马达三59、气爪82；腰关节控制系统87分别控制腰关节第一并联机构4、腰关节第
三并联机构7、腰关节第二并联机构5、腰关节第四并联机构9的直线气缸一11、气动肌肉一
12、气动肌肉二13、气动肌肉三15、直线气缸二16、直线气缸三17；下肢关节控制系统88分别
控制左下肢关节3‑1和右下肢关节3‑2的气动肌肉长肌一20、气动肌肉长肌二21、气动肌肉
短肌三30、气动肌肉短肌四31、气动肌肉长肌三23、气动肌肉长肌四24、气动肌肉短肌五34、
气动肌肉短肌六35、气动肌肉短肌一26、气动肌肉短肌二27。

[0047] 一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统主要包括左上肢关节1‑1、右上肢关节1‑2、腰关节2、左下肢关节3‑1、右下肢关节3‑2，左上肢关节1‑1、右上肢关节1‑2的结构完
全一样，左下肢关节3‑1、右下肢关节3‑2的结构完全一样。

[0048] 第一层连接板6与第二层连接板8之间腰关节第一并联机构4、腰关节第三并联机构7并联，第二层连接板8与第三层连接板10之间腰关节第二并联机构5、腰关节第四并联机
构9并联。腰关节第一并联机构4、、腰关节第三并联机构7、腰关节第二并联机构5、腰关节第
四并联机构9结构完全一致。腰关节第一并联机构4的直线气缸一11、气动肌肉一12、气动肌
肉二13、气动肌肉三15、直线气缸二16、直线气缸三17两端分别与上端连接板14、下端连接
板18可转动连接。

[0049] 髋关节转动轴28与下肢转动轮一19固定连接，与大腿连接板29可转动连接。膝关节转动轴32与下肢转动轮二22、下肢转动轮四33、小腿连接板36固定连接，与大腿连接板29
可转动连接。踝关节转动轴37与下肢转动轮三25、踝关节连接板38固定连接，与小腿连接板
36可转动连接。气动肌肉短肌三30、气动肌肉短肌四31与大腿连接板29固定连接，组成一组
拮抗肌驱动下肢转动轮一19绕X轴转动。气动肌肉长肌一20、气动肌肉长肌二21组成一组拮
抗肌驱动下肢转动轮二22绕X轴转动。气动肌肉短肌三30、气动肌肉短肌四31驱动下肢转动
轮一19绕X轴转动，可以通过气动肌肉长肌一20、气动肌肉长肌二21驱动下肢转动轮二22绕
X轴转动。气动肌肉长肌三23、气动肌肉长肌四24组成一组拮抗肌驱动下肢转动轮二22、下
肢转动轮三25(带动踝关节连接板38、脚39)绕X轴转动。气动肌肉短肌五34、气动肌肉短肌
六35与小腿连接板36固定连接，组成一组拮抗肌驱动下肢转动轮四33绕X轴转动。气动肌肉
短肌一26、气动肌肉短肌二27与踝关节连接板38固定连接，组成一组拮抗肌驱动下肢转动
轮三25绕X轴转动。踝关节连接板38与脚39固定连接。

[0050] 气动马达一40的壳体与第一层连接板6固定连接，气动马达一40的转动轴与肩关节连接件41固定连接，驱动左上肢关节1‑1绕Z轴转动。

[0051] 腕关节转动轴81与腕转动轮一42、带轮十79、腕关节连接件80、腕转动轮二56固定连接，与长连接板一48、长连接板二60可转动连接。肘关节转动轴二75与气动马达二44的转
动轴、气动马达三59的转动轴、带轮五70、带轮六73、带轮七74固定连接，与短连接板一61、
短连接板二71可转动连接。肘关节转动轴一83与肘转动轮一46、带轮一47、肘转动轮四62、
带轮三63、带轮八77、带轮九78固定连接，与长连接板一48、长连接板二60可转动连接。肩关
节转动轴一50与带轮二49、锥齿轮一51固定连接，与长连接板一48、连接板一52可转动连
接。肩关节转动轴三65与带轮四66、锥齿轮三68固定连接，与长连接板二60、连接板三67可
转动连接。带轮六73与带轮十79、带轮五70与带轮八77、带轮七74与带轮九78、带轮一47与
带轮二49、带轮三63与带轮四66分别通过皮带五69、皮带三72、皮带四76、皮带一84、皮带二
64实现啮合传动。连接板一52、连接板二53、连接板三67固定连接，锥齿轮二55同时与锥齿
轮一51、锥齿轮三68啮合。肩关节转动轴二54与锥齿轮二55、肩关节连接件41固定连接，与
连接板二53可转动连接。气动马达二44、气动马达三59的壳体分别与长连接板一48、长连接
板二60固定连接。气爪82与腕关节连接件80固定连接。肘腕气动肌肉一43、肘腕气动肌肉二
45通过腕转动轮一42、腕关节转动轴81、带轮十79、皮带五69、带轮六73、肘关节转动轴二
75、带轮五70、皮带三72、带轮八77、肘关节转动轴一83、带轮一47、皮带一84、带轮二49、肩
关节转动轴一50、锥齿轮一51或者肘关节转动轴二75、带轮七74、皮带四76、带轮九78、肘关
节转动轴一83、带轮三63、皮带二64、带轮四66、肩关节转动轴三65、锥齿轮三68顺序传动驱
动锥齿轮二55绕X轴转动。同时通过腕关节转动轴81驱动腕关节连接件80绕Y轴转动肘腕气
动肌肉一43、肘腕气动肌肉二45也可以通过肘转动轮一46、肘关节转动轴一83、带轮一47、
皮带一84、带轮二49、肩关节转动轴一50、锥齿轮一51或者肘关节转动轴一83、带轮三63、皮
带二64、带轮四66、肩关节转动轴三65、锥齿轮三68顺序传动驱动锥齿轮二55绕X轴转动。同
时通过腕关节转动轴81驱动腕关节连接件80绕Y轴转动肘腕气动肌肉三57、肘腕气动肌肉
四58通过腕转动轮二56、腕关节转动轴81、带轮十79、皮带五69、带轮六73、肘关节转动轴二
75、带轮五70、皮带三72、带轮八77、肘关节转动轴一83、带轮一47、皮带一84、带轮二49、肩
关节转动轴一50、锥齿轮一51或者肘关节转动轴二75、带轮七74、皮带四76、带轮九78、肘关
节转动轴一83、带轮三63、皮带二64、带轮四66、肩关节转动轴三65、锥齿轮三68顺序传动驱
动锥齿轮二55绕X轴转动。同时通过腕关节转动轴81驱动腕关节连接件80绕Y轴转动肘腕气
动肌肉三57、肘腕气动肌肉四58也可以通过肘转动轮四62、肘关节转动轴一83、带轮一47、
皮带一84、带轮二49、肩关节转动轴一50、锥齿轮一51或者肘关节转动轴一83、带轮三63、皮
带二64、带轮四66、肩关节转动轴三65、锥齿轮三68顺序传动驱动锥齿轮二55绕X轴转动。同
时通过腕关节转动轴81驱动腕关节连接件80绕Y轴转动气动马达二44通过肘关节转动轴二
75、带轮五70、皮带三72、带轮八77、肘关节转动轴一83、带轮一47、皮带一84、带轮二49、肩
关节转动轴一50、锥齿轮一51或者肘关节转动轴二75、带轮七74、皮带四76、带轮九78、肘关
节转动轴一83、带轮三63、皮带二64、带轮四66、肩关节转动轴三65、锥齿轮三68顺序传动驱
动锥齿轮二55绕X轴转动。同时通过带轮六73、皮带五69、带轮十79、腕关节转动轴81驱动腕
关节连接件80绕Y轴转动。气动马达三59与气动马达二44的传动路线一致。同时气动马达二
44、气动马达三59也可以与肘腕气动肌肉一43、肘腕气动肌肉二45、肘腕气动肌肉三57、肘
腕气动肌肉四58组合使用。气爪82具有绕X轴的转动、沿Y轴或Z轴的直线移动。

[0052] 计算机85与上肢关节控制系统86、腰关节控制系统87、下肢关节控制系统通信实现对一种基于气动肌肉与气缸冗余的机器人系统的控制。上肢关节控制系统86、腰关节控
制系统87、下肢关节控制系统分别控制左上肢关节1‑1、右上肢关节1‑2、腰关节2、左下肢关
节3‑1、右下肢关节3‑2。

[0053] 本发明，通过控制各气动肌肉、气缸、气动马达，实现气动肌肉与气缸冗余机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人关节的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥
有其他气动肌肉与气缸机器人无法比拟的优势。

[0054] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原
理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进
都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界
定。