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CN102196785B - 仿生机械关节 - Google Patents

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CN102196785B
CN102196785B CN200980142653.0A CN200980142653A CN102196785B CN 102196785 B CN102196785 B CN 102196785B CN 200980142653 A CN200980142653 A CN 200980142653A CN 102196785 B CN102196785 B CN 102196785B
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CN
China
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chordae tendineae
actuator
mechanical joint
pulley
support unit
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S·C·雅各布森
M·奥利维尔
B·麦克莱恩
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Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon Sarcos LLC
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种用于在仿生机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节，包括支承部件、以可转动的方式联接在所述基部支承部件上的转动支承部件、以及可操作地联接在所述基部支承箔部件与所述转动支承部件之间的可变半径滑轮。所述可变半径滑轮包括具有可变半径的槽轮体和形成在周向外表面中的一条或多条腱索沟槽。所述机械关节还包括一个或多个柔性腱索和对抗致动器副，每个致动器副联接在一条或多条腱索上并构造成沿任一方向绕着所述可变半径滑轮操作所述腱索以在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间形成可变扭矩。

Description

仿生机械关节
相关申请
本申请要求于2008年8月28日提交且标题为“Biomimetic MechanicalJoint”(仿生机械关节)的美国临时专利申请No.61/092,699的优先权，在此通过引用将该申请全文并入。
技术领域
本发明的领域总的涉及外骨骼和机器人，尤其涉及具有天然或类似于人类特征的用于外骨骼和机器人的机械关节。
背景技术
近几十年来已实现机器人和机器人设备开发的显著进步。通过使用机器人装配器和操纵器获得的制造效率、探测用机器人车辆(如在火星表面上行走的那些)以及在主题公园和其它景点常见的电子动漫人物只是少数受欢迎的例子。然而，这些专业机器人具有的共同特点在于它们既不具备真正的仿人能力，也不能以类似于人类的操作行使功能。实际上，许多机器人设备受制于外部电源，而另一些则构造成在不具备双踏板或仿人运动的情况下移动。真正的可移动且不受束缚的人形机器人和外骨骼虽然存在，但处于早期发展阶段，并被继续改进以更好地参与可移动的仿人活动。
朝不受束缚的人形机器人活动改进仿人或仿生机器人系统一直存在技术难点的一个原因是向机器人提供移动能力的机械关节内固有的低效率。在一种机器人设备中，围绕机械关节的运动是动力的主要消耗体。即使存在已对机器人和人类辅助设备中的机械关节进行控制和性能方面的优化的少数例外，这些也优先于最佳效率考虑。例如，许多现代非仿生工业机器人利用与外部电力、流体或机械动力系统——其能够供应过剩的动力——永久连接的优点执行大量工作，从而使关节能够精确和有力地移动，但它们也非常浪费能量。
动力驱动的假肢也影响了效率，因为这些装置主要被限制在容易接入电源的实验室、研究中心或居民区内的个人生活空间。然而，在远程工作环境或战场环境中，效率对长期操作和/或耐久性来说非常关腱，因为外骨骼或仿人机器人如果过早地用光燃料或电池电量耗尽则毫无用处。仿人机器人设备或外骨骼的更有效的操作、特别是仿生关节通过一定移动范围和负载条件的更有效的操作在不牺牲速度或动力的前提下的进步是亟需的，并且将用来提供改进的、不受束缚的仿人机器人活动。
发明内容
人体可以是在效率方面优化外骨骼和仿人机器人中的机械关节的一个模型。动物界内的所有物种——包括人类——的身体为了进行高效率的操作而不断进化，以便仅使用最近的一次用餐或储存的脂肪作为能量来活动和存活。使用仿生机械关节，至少可部分提供模拟人类肢体围绕天然关节的有效运动的能力。
在本发明中，这包括提供仿生机械关节的能力，该仿生机械关节模拟由天然关节提供的可变扭矩，该可变扭矩是使关节在各种负载条件下有效转动经过一定位置范围所需的。对于外骨骼和仿人机器人，仿生机械关节可包括可变半径滑轮，该可变半径滑轮通过一个或多个柔性腱索(tendon)与一副或多副对抗致动器(antagonistic actuator)联接以在使转动支承部件或肢体部段转动时提供可变扭矩，该可变扭矩模拟相应的天然关节所提供的可变扭矩。
按照如文中宽泛地描述的一个有代表性的实施例，本发明在于一种用于模拟天然关节所提供的可变扭矩的仿生机械关节，该机械关节包括机器人设备的基部支承部件、该机器人设备的转动支承部件以及将转动部件可转动地联接在基部部件上的可变半径(“VR”)滑轮。该VR滑轮还包括带有周向外表面和枢转点/部位的槽轮体部——该外表面与该枢转部位之间的径向距离可沿着该外表面的长度变化、形成在该外表面中的一条或多条腱索沟槽以及形成在腱索沟槽内的腱索附接点/部位。该机械关节还包括一个或多个柔性腱索，各腱索联接在腱索附接部位上并具有在腱索沟槽内沿相反的方向卷绕在滑轮周围的第一端部分和第二端部分。该机械关节还包括一个或多个对抗致动器副，各致动器副利用一对端部连接器联接在腱索的两个端部分上，并且该致动器副构造成沿(两个方向中的)任一方向绕着可变半径滑轮拉曳腱索以在基部与转动支承部件之间形成可变扭矩。
按照如文中宽泛地描述的另一有代表性的实施例，本发明在于一种用于模拟天然关节所提供的可变扭矩的仿生机械关节，该机械关节包括机器人设备的基部支承部件、该机器人设备的转动支承部件以及将转动部件可转动地联接在基部部件上的可变半径(“VR”)滑轮。该VR滑轮还包括带有周向外表面和枢转点/部位的槽轮体部——该外表面与该枢转部位之间的径向距离可沿着该外表面的长度变化、形成在该外表面中的腱索沟槽以及形成在该腱索沟槽内的一条或多条腱索附接部位。该机械关节还包括一个或多个柔性腱索和一个或多个致动器，所述柔性腱索联接在腱索附接部位上并具有在腱索沟槽内卷绕在滑轮周围的自由端部分，所述致动器联接在腱索的自由端部分上并构造成绕着可变半径滑轮拉曳腱索以在基部支承部件与转动支承部件之间形成可变扭矩。
本发明还在于一种制造用于在机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节的方法。该方法包括获得基部支承部件和转动支承部件，并且将具有枢转装置的可变半径滑动联接在基部支承部件与转动支承部件之间以有助于转动支承部件围绕基部支承部件转动。该方法还包括将一个或多个对抗致动器副装配于转动支承部件上，并且将一个或多个柔性腱索安装在可变半径滑轮与对抗致动器副之间，其中致动器副启动以沿(两个方向中的)任一方向绕着可变半径滑轮拉曳腱索，从而在基部支承部件与转动支承部件之间形成可变扭矩。
附图说明
本发明的特征和优点将从以下结合附图一起说明了本发明的特征的详细描述变得显而易见。应当理解的是，这些附图仅示出本发明的示例性实施例，因此不应认为它们限制了本发明的范围。此外，可容易地理解的是：如在附图中大体描述和示出的本发明的构件可布置和设计成各种不同的结构。不过，仍将通过使用附图更加具体和详细地描述和说明本发明，在附图中：
图1示出了可提供用于本发明的仿生机械关节的平台的示例性外骨骼的透视图；
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的仿生机械关节的侧视图；
图3示出了根据图2的实施例的可变半径滑轮的放大侧视图；
图4示出了根据图2的实施例的可变半径滑轮和腱索系统的放大侧视图；
图5示出了具有两个腱索沟槽的可变半径滑轮的透视侧视图；
图5A示出了具有两个不同直径的腱索沟槽的可变半径滑轮的侧视图；
图5B示出了具有两个不同形状和排列(alignment)的腱索沟槽的可变半径滑轮的侧视图；
图6示出了根据本发明的另一个示例性实施例的仿生机械关节的透视图；以及
图7示出了根据本发明的再一个示例性实施例的仿生机械关节的透视图。
具体实施方式
以下对本发明的详细说明参照附图，附图形成所述说明的一部分并通过图解示出可实施本发明的示例性实施例。虽然足够详细地描述了这些示例性实施例以使本领域的技术人员能够实施本发明，但是应当理解的是，也可以实现其它实施例并且可在不背离本发明的精神和范围的前提下对本发明作出各种更改。因此，以下对本发明的示例性实施例的更详细的说明并非用于限制要求保护的本发明的范围，而仅仅为了进行举例而提出，以描述本发明的特征和特点，并足以使得本领域的技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围只由所附权利要求限定。
图1-7所示的是可集成在动力驱动式假肢、仿人机器人、外骨骼或其它仿生机器人设备等中的仿生机械关节的各种示例性实施例。本发明的仿生机械关节可结合一个或多个对抗致动器使用可变半径(“VR”)滑轮，以满足机械关节围绕单自由度(“DOF”)轴线的运动需求。可将本发明与现有技术进行区分，现有技术系统通常使用旋转DC马达致动器来产生围绕同一轴线的运动。VR滑轮所提供的机械利益(mechanical advantage)允许在提供相同扭矩的同时与类似的致动器相比缩小对抗致动器的尺寸。这种尺寸缩小可显著改进效率和性能两者。
如上所述，本发明可使用一个或多个对抗致动器或多副对抗致动器/来为转动支承部件围绕基部支承部件运动提供动力。各个对抗致动器可包括对抗地设置的两个单向致动器(例如对抗致动器副)以在腱索的任一端上拉曳，所述腱索的两端可联接在对抗致动器上并且中间段可联接在装配于VR滑轮上的腱索附接块上。在腱索的任一端上拉曳可使VR滑轮相对于对抗致动器转动，或反之亦然。对抗致动器还可包括单动式液压致动器、气动致动器、直线马达或旋转电动机或任何其它单向致动器(例如能够产生仅沿一个方向的力)。
或者，该单条腱索可被细分为两条腱索，各腱索的一端联接在VR滑轮上的腱索附接部位上，而各腱索的另一端联接在对抗致动器副中的致动器之一上。在本发明的又一个实施例中，仿生机械关节可设有联接在一个或多个柔性腱索上的一个或多个单向致动器，以便仅沿一个方向致动该关节并允许所施加的负载(例如，在重力影响下的重物/平衡块等)沿相反的方向操作该关节，所述柔性腱索与VR滑轮同一侧上的腱索附接部位连接。
本发明的仿生机械关节较现有技术机械关节而言可提供明显的优点，一部分现有技术的机械关节在此以及以下的具体说明中有所叙述。首先，该仿生机械关节可比使用DC马达等来提供跨整个关节位置范围的恒定扭矩的现有的假肢、外骨骼、仿人机器人或机器人设备中的机械关节明显更有效。模仿人体的自然运动的机械关节可具有根据支承部段相对于重力及相对于彼此的位置而变化的扭矩需求。例如，使假腿中的关节转动所需的扭矩在沿着水平面行走时比从蹲姿站立时要小。因此，针对最大扭矩操作条件确定尺寸的恒定扭矩系统存在的一个缺点在于它们对于扭矩减小的操作条件来说尺寸过大，并因此浪费了能量。通过在高扭矩操作条件期间使用可变半径滑轮来形成滑轮与致动系统之间的机械利益，致动器可被更适当地确定尺寸以满足多种不同的较低扭矩操作条件。换言之，可针对特定的操作条件优化效率。
如果多个分数(分成几份的/分式，fractional)对抗致动器与VR滑轮配合使用，则可进一步提高效率和性能。“分数”致动器可被定义为满足小于100％的机械关节所需最大可能扭矩的致动器，这是大多数致动系统的标准设计点。第一分数致动器可与至少一个其它分数致动器结合使得该组一起操作的分数致动器满足机械关节的最大扭矩需求。
单个100％致动器系统可能具有这样的缺点：所有致动器必须始终被致动。除非致动器在其最大设计点操作，否则就是浪费能量。例如，在使用针对最大扭矩需求确定尺寸的液压缸的液压系统中，浪费的能量可能在于在较小或零负荷下移动液压活塞的压力过高的液压流体。此外，由于即使存在要压靠的负载，致动器的运动也可能过快，因此高压流体通常由压力控制阀或伺服阀节流使得支承部件以较慢、更理想的速度运动。使用过量流体和节流两者都是浪费加压液压流体中所含有的潜在能量的例子。
机械关节可通过将每DOF一个致动器分成每DOF两个或更多个分数致动器来克服现有技术的固有缺点。本质上，使用多个分数致动器形成了换档方案(gear shifting scenario)，在该换挡方案中，可使所述一个或多个致动器选择性地复原以有效地满足关节可能需要的所有操作方案。因此，在小于关节的最大设计扭矩条件的任何特定操作条件下，分数致动器中的一个或另一个或两者可在最佳和最有效的设计点附近操作。
两个分数对抗致动器系统之间的比例划分可在95/5至50/50的范围内任意变化，并且还可以在整个人形机器人体中仿生机械关节的各个位置有所不同。最佳比例将取决于机械关节的性能界定条件，并且将根据机器人体的指定用途(例如，一般用途、重物举升、行走、攀登辅助等)以及致动器系统中的致动器的类型和构造显著变化。然而，带有构造成用于最佳效率的两个分数对抗致动器的仿生机械关节的比例划分可在80/20与60/40之间的范围内变化。
效率提高的一个原因是产生围绕各DOF轴线的运动的分数对抗致动器可更好地模拟人体的结构，人体在任何特定时间都自然地仅使用足以满足关节或肢体所需的性能的肌肉。换言之，通过选择性地仅复原或激活为使所附的支承部件以期望方式运动所需的肌肉或肌肉群而在人类关节中节约了能量。此外，当与VR滑轮结合时，结合VR滑轮采用两个可选择性地复原的分数致动器形成的本发明的机械关节可更逼真地模拟天然关节的性能和效率两者。
以上提及的各优点将根据下文提出的详细说明而变得显而易见并且可参照附图最好地理解，其中本发明的元件和特征全部由附图标记标识。这些优点并不以任何方式进行限制。实际上，本领域的技术人员应理解，在实施本发明时可实现有别于在此具体列出的优点的其它优点。
图1示出了外骨骼10的示例性实施例，该外骨骼10可提供用于本发明的仿生机械关节的各种实施例的平台。该外骨骼具有在各种场合中向人提供机械辅助的潜力，包括增加残疾人的活动性、扩大体力劳动和增强军事活动。如图所示，外骨骼可包括整个躯干/本体支承框架。在另一实施例中，它也可包括局部躯干/本体框架，例如下体行走部分，或甚至可体现为单独的肢体。该仿生机械关节可适用于外骨骼上的任何负荷承载支承部件，并且尤其适合用于躯干的腿或下半部中的一个或多个关节。
如图1所示，外骨骼10可包括下体部12。下体部可包括附接在两条腿20上的骨盆区域14，各腿还可包括髋关节22、膝关节28和踝关节34。出于本申请的目的，该仿生机械关节可被定义为包括枢转装置、附接的转动支承部件和致动器子组件的组件。致动器子组件通常可被装配于转动支承部件内侧。仿生机械髋关节22因此可包括髋部枢转装置24和上腿或大腿支承部件26，膝关节28可包括膝部枢转装置30和下腿或小腿支承部件32，且踝关节34可包括踝部枢转装置36和足部支承部件38。
图2示出了可适用于外骨骼或仿生机器人设备的任何负荷支承关节的仿生机械关节的一个示例性实施例100的侧视图。仿生机械关节100可具有刚性外壳104，该刚性外壳104包围枢转装置140或可变半径(“VR”)滑轮142并形成该机械关节的转动支承部件102。对抗致动器(在本实施例中是利用了两个单动式液压致动器122、124的单个对抗致动器副120)可被包括在致动器子组件110内，该致动器子组件110由安装在位于对抗致动器之间的控制模块112内的液压控制系统驱动。柔性腱索130的两端可联接在从对抗致动器副120延伸的液压致动器活塞126、128上，并且该柔性腱索130的中间段联接在装配于VR滑轮上的腱索附接块162上。在本发明的另一方面，腱索130可被分为两个较短的腱索，各个较短腱索的一端联接在VR滑轮上的腱索附接部位上，而另一端联接在对抗致动器副中的致动器之一上。
虽然图2所示的对抗致动器120可包括通过柔性腱索130围绕VR滑轮142联接在一起的两个单动式线性液压致动器122、124，但驱动本发明的仿生机械关节的对抗致动器还可包括能够经由柔性腱索联接在VR滑轮周围的单动式气动致动器、直线电动马达、旋转电动马达或任何其它成对的单向致动器(例如，能够产生仅沿一个方向的力)。
在图2所示的仿生机械关节的示例性实施例100中，致动器子组件110可被装配于转动支承部件102的刚性外壳104的内侧，而VR滑轮可相对于基部支承部件106被固定。举一个说明性的例子，如果将该仿生机械关节集成在图1的外骨骼的髋关节中，则该关节的致动器子组件可被装配于上腿或大腿支承部件的内侧，而髋部VR滑轮可相对于骨盆区域被固定。然而，在该仿生机械关节的一个可替换的方面，该致动器子组件可被装配于基部支承部件106(本例中为骨盆区域)上并且VR滑轮142可相对于转动支承部件102(或上腿支承部件)被固定。
虽然文中所述的许多实施例将致动器子组件10定位在转动支承部件102内侧，但任意构型均可允许转动支承部件102通过仿生机械关节相对于基部支承部件106进行动力驱动式转动。此外，基部支承部件106可包括仿生机器人设备的刚性体区段，例如躯干，以及相邻的机械关节的转动支承部件。
VR滑轮142的放大侧视图在图3和图4中示出。VR滑轮可包括盘形/圆盘部分144和轴部分146，并且可围绕枢转支柱180转动，所述枢转支柱180配合在位于VR滑轮的轴部分中的中心孔148内。转动接口/连接装置(如未示出的轴承或套管)可位于枢转支柱180或中心孔148中的任一者或两者内，该转动连接装置允许VR滑轮和枢转支柱相对于彼此转动。
圆盘部144可具有周向外表面150，腱索沟槽152可形成在该周向外表面150中。腱索沟槽可具有用于接触腱索的承坐表面(landing surface)156，以及用于防止腱索滑动离开VR滑轮的侧壁158。附接槽160可形成在盘形部分144中，该附接槽160轴向地对开/截开腱索沟槽152并提供用于将腱索附接块162装配于滑轮上的位置。空心囊或空穴170也可形成在盘形部分中以减轻VR滑轮的重量，并且可具有为外承坐表面提供支承的具有不同长度的结构肋172。
VR滑轮142的周向外表面150可呈圆形，中心孔148形成在从圆形外表面或圆盘体144的几何中心偏移或偏心的位置。中心孔148还可限定枢转部位，VR滑轮142围绕该枢转部位转动，使得外表面与该枢转部位之间的径向距离可沿着外表面150的长度变化。因此，带有偏心中心孔148和轴部分146的圆形滑轮可形成VR滑轮，如图所示。在本发明的另一方面，VR滑轮的盘形体和外表面可以不呈圆形，而是可呈偏心率比图3-4所示的带有偏心枢转部位的圆形实施例142或高或低的长圆形、椭圆形或向VR滑轮提供连续可变半径的某些其它非圆形体或形状。
VR滑轮142可在盘形部分144中包括与附接槽160和附接块162径向相对的切口164。腱索沟槽152的侧壁158可在该切口内下移至承坐表面156的水平，从而形成与腱索沟槽的承坐表面大致平齐的切口。该切口的任一端可具有能匹配于端部连接器132、134的圆形轮廓的圆角166、168，所述端部连接器132、134安装在致动器活塞的端部上(参见图4)。因此，该切口的圆角可构造成当VR滑轮已被转动至任一最远的转动位置时部分地接纳端部连接器。参照图4，当VR滑轮被转动至其最远的顺时针位置时，该切口的圆角168可接纳圆形端部连接器134。类似地，当VR滑轮被转动至其最远的逆时针位置时，切口的圆角166可接纳圆形端部连接器132。
向VR滑轮提供具有圆角的切口可有利地使仿生机械关节的转动范围沿任意方向延伸数度/几度，并避免在致动器活塞到达其最远极限并邻接VR滑轮的情况下猛拉腱索和致动器子组件。
腱索130的第一端部分和第二端部分可通过本领域中可获得的任何装置附接在致动器活塞的梢端上。例如，在所示的实施例中，腱索可被制造成足够长使得端部可围绕或通过端部连接器132、134形成环圈/回路并返回连接到附接块162上。此外，端部连接器可构成有配合在腱索环内并将腱索固定在端部连接器上的连接杆136。该环形构造可通过允许腱索在操作期间相对于致动器活塞的小量移动而变得有利，因为腱索在VR滑轮周围被交替地卷绕和退绕。这些移动可减轻应力并减少磨损，并进一步确保作用在对抗致动器上的负荷为纯拉力。
图5示出了具有形成在周向外表面250中的两条腱索沟槽250的VR滑轮242的透视侧视图，该VR滑轮252适用于利用带有两条腱索的致动系统的仿生机械关节的示例性实施例。如可以看见的那样，腱索沟槽可被成型为保持不同尺寸的腱索，并且其中大沟槽254可构造成保持明显宽于小沟槽252的腱索。附接槽260和径向相对的切口264两者都可横断/横贯地截开两条腱索沟槽。腱索沟槽252、254可分别具有直径D1和D2，所述直径可大致相等。
此外，在图5A所示的本发明的另一方面，大腱索沟槽254a可具有小于小腱索沟槽254a的直径D1a的直径D2a，以便为各腱索和对抗致动器副提供不同的机械利益。在图5B所示的再一实施例中，VR滑轮可形成有小腱索沟槽252b和大腱索沟槽254b，所述小腱索沟槽252b和大腱索沟槽254b具有彼此未对齐并且可以或可以不分别具有不同直径D1b、D2b的非圆形或椭圆形形状。如以下更详细地描述的那样，两个腱索沟槽之间的尺寸和/或形状和/或取向的差别可与对抗致动器或对抗致动器副的尺寸确定方面的差别相结合地使用，以在更改和扩展机械关节的性能特点方面提供附加的灵活性。因此，仿生机械关节的可变扭矩特点可变成取决于转动方向，从而形成更好地模拟了天然关节的性能和效率的机械关节。
利用了两条腱索和双槽式VR滑轮的仿生机械关节的一个示例性实施例200在图6中示出，未示出转动支承部件或基部支承部件的刚性外壳。该仿生机械关节可包括两个对抗致动器副220、230。两个致动器和包括任一对抗致动器的腱索可被视为单个对抗致动器副，因为每个单独的致动器是仅能使VR滑轮242沿一个方向转动的线性单动式设备。此外，示例性仿生机械关节200中的每个对抗致动器副可具有对称的致动器，意味着同一副中的两个单动式致动器的尺寸和构造相同，从而允许该致动器副提供沿两个方向的对称移动。
在另一示例性实施例中，对抗致动器副可包括不同尺寸的分数致动器，例如大致动器副230和小致动器副220，所述大致动器副和小致动器副如上所述可一起操作以满足该机械关节的最大扭矩需求。如果分数致动器为液压缸，则小致动器副220可设有小直径液压缸222、224，所述小直径液压缸针对不同于大致动器副的致动器232、234的操作状态确定尺寸。可以理解的是，对于液压流体从控制体212的一定流速而言，较小的液压活塞面积将比较大的液压活塞面积更快地但以减小的力使VR滑轮转动。因此，在液压流体流速相同的情况下，较大直径的致动器副使VR滑轮以更慢的速度转动，但可在腱索上提供更多拉力，因为致动器所分配的力与液压活塞的面积直接成正比/正相关。
各分数对抗致动器副220、230的两个对称地确定尺寸的致动器可通过腱索280、290经过/越过VR滑轮242连结在一起。虽然腱索可具有各种形状和尺寸，但实施例200中所示的腱索可具有限定宽度和厚度的带形轮廓，并且还可构造成具有与相应的腱索沟槽252、254的宽度和厚度匹配的尺寸。各腱索的中间段联接在与VR滑轮连接的附接块262上，该装置可将腱索固定在VR滑轮上并防止腱索在槽内滑动。
在所示的实施例200中，腱索280、290可通过使腱索经过端部连接器282、292形成环圈并且使腱索的端部返回联接到联接块262上而附接在致动器活塞226、236的端部上。另外，各端部连接器可构造成具有配合在腱索环内并且将腱索固定在端部连接器上的连接杆284。本领域技术人员可以想到用于将腱索联接在分数对抗致动器上的其它装置，并且视为落在本发明的范围内。
为了允许更有效的操作，可使分数致动器选择性地恢复向仿生机械关节提供动力或脱离提供动力状态。因此，两条腱索280、290可使用端部连接器282、292单独附接在它们相应的对抗致动器副220、230上，以允许两条腱索之间响应于变化的负荷条件相对运动，例如，负载的腱索可比未负载的腱索拉伸得更多。
例如，如果大致动器副230是工作/起作用的而小致动器副220是不工作/不起作用的或脱离的，则大腱索290附接在工作的大致动器232上的部段可在负荷下稍微拉伸，而用于相邻的小致动器222的较小腱索280的部段可保持松弛。即使两条腱索都可使用附接块262固定在VR滑轮242上，也只有与工作的大致动器232连接的腱索290的部段可拉曳VR滑轮并使其转动。然而，在致动器子组件210的相对的一侧上，小致动器224和不工作的大致动器234两者的致动器活塞226、236可随着它们相应的腱索280、290向上卷绕到VR滑轮上而跟着相应的腱索280、290移动，所述VR滑轮在工作的致动器232的影响下转动。
在一个备选实施例中，腱索280、290可例如使用格外长的共用连接杆284在端部连接器282、292处连结起来。而且，在另一可替换的实施例(未示出)中，两个对抗致动器副可共享联接在单个、双宽度腱索带上的共用端部连接器。连结端部连接器或使用双宽度腱索带可确保不活动的致动器在机械关节转动期间跟随活动的致动器，并且可在任何时刻维持在适当位置以便准备工作。
将VR滑轮242与可选择性地复原的分数致动器220、230结合可形成近似地模拟天然关节的性能和效率两者的仿生机械关节200。例如，VR滑轮242可通过在高扭矩操作条件期间在枢转装置240与致动子组件210之间产生机械利益而有助于转动支承部件围绕基部支承部件转动。这能够在机械关节200的整个运动范围并在各种负荷条件下有效地减小和消除驱动机械关节200的动力需求，并允许选择更小且动力消耗更低(例如，低需求和节约能量)的对抗致动器以驱动机械关节并且仍满足所需的性能标准。
此外，将单个对抗致动器分解为两个或更多分数对抗致动器副220、230允许致动器子组件210以更有效的方式满足VR滑轮所提供的减小的能量需求。分数致动器可根据机械关节200上的瞬时速度和扭矩要求选择性地复原或脱离，使得要么利用小的对抗致动器副220、要么利用大的对抗致动器副230、要么利用两者来满足期望性能。
用于确定分数致动器的尺寸以满足仿生关节的预计速度和扭矩需求的方法在于2009年8月28日提交且标题为“Method Of Sizing Actuators ForA Biomimetic Mechanical Joint”(确定用于仿生机械关节的致动器的尺寸的方法)的共有和共同未决的专利申请No.______________(代理人卷号No.2865-25026.PROV.PCT)中有说明，在此通过引用将该申请全文并入。
可以理解的是，随着VR滑轮142由致动子组件210驱动旋转，位于腱索280、290与VR滑轮之间的接触点、端部连接器282、292以及对抗致动器220、230的长轴线的准直性/直线性可由于VR滑轮的半径变化而改变。此外，对于致动器子组件的每一侧而言准直性的变化可能不同。为了确保不会由于变化的直线性而在致动器活塞226、236上施加有害的扭矩或侧向力，位于控制体212的任一侧上的致动器的活塞端(或其它部分(例如中间段))可被装配到可相对于控制模块旋转的回转块276、278中。回转块可向致动器提供围绕它们的活塞端(或例如中间段、上部端等)枢转的自由度以维持致动器的长轴线、端部连接器以及位于腱索与VR滑轮之间的切向接触点三者之间的正确对齐/准直。在本发明的另一方面，控制模块可被加长使得致动器的实心端(例如与致动器活塞相对的一侧)可被安装在回转决中，从而允许在致动器子组件的基部而不是在中跨(mid-span)发生枢转。
如果在任何特定时刻分数致动器或对抗致动器副220、230选择性地复原以向仿生机械关节200提供动力，则在该瞬间未复原的致动器可与机械关节选择性地脱离以防止致动器系统的活动部分上不必要的拖曳。该选择性的脱离可包括致动器与流体源之间的流体(例如液压或气动)分离、直线或旋转马达与电源之间的电气分离或对抗致动器与VR滑轮之间的物理脱离等。
如上所述，在图6所示的本发明的实施例200的一方面，各对抗致动器副220、230中的各单独的致动器可为单动式直线液压致动器。此外，各致动器可与压力控制阀(PCV)流体连接，该压力控制阀可利用位于控制体212内的先导阀操作。PCV和先导阀可构造成使得不工作的对抗致动器副按照“摇动/晃动(slosh)”模式操作，该模式允许容纳在不工作的对抗致动器副中的液压流体在两个单动式液压缸之间来回晃荡而不消耗功也不做功。换言之，不工作的分数致动器可构造成通过将PCV和先导阀选择为晃动模式而进行空闲/无功操作，这可使分数致动器与系统脱离，使得它不会有助于该仿生机械关节上的拖曳或制动。
可使用两个对抗致动器副并结合相应的PCV和先导阀以允许一个致动器副主动操作而另一个进行晃动模式操作的液压系统在共有和共同未决的、2008年2月28日提交的标题为“Fluid Control System Having SelectiveRecruitable Actuators”(具有可选择性地复原的致动器)的美国专利申请No.12/074,261以及2008年2月28日提交的标题为“Antagonistic FluidControl System for Active and Passive Actuator Operation”(用于主动和被动致动器操作的对抗流体控制系统)的美国专利申请No.12/074,260中更详细地说明，在此通过引用将这些申请全文并入。
在本发明的另一方面，当向机械关节200提供动力时，也可对两个分数致动器220、230进行连续节流，例如使用阀模块(未示出)。因此，应理解，具有多个分数致动器的连续节流以及选择性的复原和/或脱离的能力的仿生机械关节形成具有两个控制自由度的致动或驱动系统。较现有技术而言，这种操作致动系统的灵活性是有利的，因为允许机械关节通过可由其选择最大效率的一个或多个致动器复原构型和节流装置达到各种操作点。
操作具有选择性的复原/脱离和连续节流这两种能力以满足仿生机械关节的瞬时速度和扭矩操作需求的方法在于2009年8月28日提交且标题为“Control Logic for Biomimetic Joint Actuators”(用于仿生关节致动器的控制逻辑)的共有和共同未决的专利申请No.___________________(代理人卷号No.2865-20080627.PROV.PCT)中说明，在此通过引用将该申请全文并入。
在本发明的又一方面(未示出)，该仿生机械关节可构成有单个单向致动器，该单个单向致动器联接在与位于VR滑轮上的腱索附接部位连接的单个柔性腱索上，且可操作成沿一个方向主动致动关节或使关节转动，同时允许所施加的负载(例如，在重力作用下的重物等)沿相反的方向操作关节。该仿生机械关节的单向实施例可用于各种应用，包括为特定任务或功能定制的仿人或天然假体设备。另外，在再一实施例中，单向仿生机械关节可设有与VR滑轮的同一侧连接的两个或更多个腱索/致动器副，以允许实现以上在对抗致动器构型中所述的相同可变负荷和速度能力。本领域技术人员可想到的单向仿生关节的其它变型应认为落入本发明范围内。
图7中示出了可与前面的实施例类似的仿生机械关节300的另一示例性实施例，该仿生机械关节300具有由两个分数仿生致动器副提供动力的VR滑轮342。然而，机械关节300与前面的实施例的不同之处在于两个分数致动器320、330中各单独的致动器可与致动器子组件310中的其它致动器中的每一者相异/差异化地确定尺寸，以便进一步利用VR滑轮的杠杆作用(leveraging aspect)并更好地模拟天然关节的性能。当与如以上在图5A和图5B中说明和示出的具有不同尺寸和/或形状和/或构型的腱索沟槽的VR滑轮结合时，这种增强的设计可变性和灵活性会变得更加明显。
举例而言，小分数对抗致动器副320可具有大半径致动器322和小半径致动器324，当所述大半径致动器322复原时该大半径致动器使用VR滑轮的大直径部分驱动VR滑轮342转动，当所述小半径致动器324复原时该小半径致动器使用VR滑轮的小直径部分354驱动枢转装置转动。类似地，大分数对抗致动器副330可具有分别绕着可变半径滑轮的大直径部分352和小直径部分354操作的大半径致动器332和小半径致动器334。
大半径致动器322、332可与它们相关的小半径致动器324、334相异地确定尺寸以利用VR滑轮所提供的机械利益并且更好地模拟天然关节的性能。例如，当天然关节沿一个方向移动时该天然关节可能能够提供比另一个方向更大的扭矩(例如，当使上腿部件围绕髋关节转动时股四头肌会明显强于腿筋肌肉)。当VR滑轮342与具有相异地确定尺寸的致动器副322、324和332、334的致动器子组件310组装时，机械关节的性能特点可进行更改和扩展，并且可取决于机械关节的转动方向。因此，形成的仿生机械关节可更好地模拟天然关节的性能和效率。
上述的详细说明引用具体的示例性实施例来对本发明进行说明。然而应当理解，在不背离本发明如所附权利要求所阐明的范围的前提下，可作出各种变型和改变。应将详细描述和附图视为只是说明性的而非限制性的，所有此类变型和改变——如果有的话——都应落入在此描述和阐明的本发明的范围内。
更具体而言，虽然在此描述了本发明的说明性的示例性实施例，但本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域的技术人员基于上述详细描述可想到的具有改型、省略、结合(例如，跨各实施例的方面的结合)、适应和/或变更的任何或所有实施例。权利要求中的限定应基于权利要求中所采用的语言在宽范围内解释，而不局限于上述详细描述或在本申请的执行期间所述的示例，应当认为这些示例是非穷尽的。例如，在本发明中，术语“优选地”为非穷尽的，其中该术语旨在表示“优选但不局限于”的意思。任何方法或过程权利要求中所列举的任何步骤可以以任何次序执行，而不局限于在权利要求中提出的次序。装置+功能的限定或步骤+功能的限定将只在这样的情况下采用，即在特定的权利限定中存在所有的以下条件：a)清楚地列举了“用于……的物质/手段”或“用于……的步骤”；以及b)清楚地列举了对应的功能。在本文的描述中清楚地列举了支持物质/手段+功能的结构、材料或方案。因此，本发明的范围应当只由所附权利要求和它们的合法等同效方案确定，而不是由以上给出的描述和示例确定。
权利要求和希望由专利证保护的内容如权利要求书所述。

Claims (27)

1.一种用于在仿生机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节，所述机械关节包括：
基部支承部件；
可转动地联接在所述基部支承部件上的转动支承部件；
可变半径滑轮，所述可变半径滑轮可操作地联接在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间以便于所述转动支承部件围绕所述基部支承部件转动，所述滑轮包括：
具有周向外表面和枢转部位的槽轮体，所述外表面与所述枢转部位
之间的径向距离可沿着所述外表面的长度变化；
形成在所述外表面中的至少一个腱索沟槽，所述腱索沟槽具有腱索
承坐表面和侧壁；和
位于所述至少一个腱索沟槽内的腱索附接部位；
至少一个柔性腱索，所述至少一个柔性腱索联接在所述腱索附接部位上并具有第一和第二自由端部分，所述第一和第二自由端部分在所述腱索沟槽内沿相反的方向卷绕在所述滑轮周围；以及
至少一个对抗致动器副，所述至少一个对抗致动器副利用一对端部连接器联接在所述第一和第二自由端部分上，所述致动器副构造成沿任一方向绕着所述滑轮选择性地操作所述腱索并在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间形成可变扭矩。
2.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，该机械关节还包括切口，所述切口位于所述槽轮体的与所述腱索附接部位大致相对的侧壁中，所述切口构造成当所述滑轮转动至任一最远转动位置时接纳端部连接器。
3.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述对抗致动器副的各个致动器被可枢转地支承以进行枢转运动并保持所述致动器的长轴线与位于所述腱索和所述滑轮之间的切向接触点之间的对齐。
4.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述对抗致动器副的各个致动器选自由液压动力缸、气动动力缸、直线电动机和旋转电动机组成的组。
5.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述滑轮的所述槽轮体为圆形并且所述枢转部位偏离所述圆形的中心。
6.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述腱索附接部位还包括腱索附接块，所述腱索附接块插入形成在所述槽轮体的所述周向外表面中的横断槽内。
7.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，第一和第二自由端部分中的每一者绕着端部连接器形成环圈并且第一和第二自由端部分中的每一者的梢端联接在所述腱索附接部位上。
8.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述槽轮体相对于所述基部支承部件固定并且所述致动器副联接在所述转动支承部件上。
9.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述对抗致动器副联接在所述基部支承部件上并且所述槽轮体相对于所述转动支承部件固定。
10.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述基部支承部件包括所述仿生机器人设备的躯干。
11.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述基部支承部件包括相邻的仿生机械关节的转动支承部件。
12.根据权利要求1的机械关节，其特征在于，所述仿生机器人设备为外骨骼。
13.一种用于在仿生机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节，所述机械关节包括：
基部支承部件；
可转动地联接在所述基部支承部件上的转动支承部件；
可变半径滑轮，所述可变半径滑轮可操作地联接在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间以便于所述转动支承部件围绕所述基部支承部件转动，所述可变半径滑轮包括：
具有周向外表面和枢转部位的槽轮体，所述外表面与所述枢转部位
之间的径向距离可沿着所述外表面的长度变化；
形成在所述外表面中的腱索沟槽；和
位于所述腱索沟槽内的至少一个腱索附接部位；
至少一个柔性腱索，所述至少一个柔性腱索联接在所述腱索附接部位上并具有自由端部分，所述自由端部分在所述腱索沟槽内卷绕在所述滑轮周围；以及
至少一个致动器，所述至少一个致动器联接在所述自由端部分上并且构造成绕着所述可变半径滑轮拉曳所述腱索以在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间形成可变扭矩。
14.根据权利要求13的机械关节，其特征在于，所述至少一个柔性腱索包括第一和第二柔性腱索，各腱索联接在腱索附接部位上并具有自由端部分，所述自由端部分沿彼此相反的方向卷绕在所述滑轮周围并联接在对抗致动器副的致动器上，所述致动器副构造成沿任一方向绕着所述可变半径滑轮选择性地拉曳所述腱索。
15.根据权利要求13的机械关节，其特征在于，所述柔性腱索还包括中间部分以及第一和第二自由端部分，所述中间部分联接在所述腱索附接部位上，所述第一和第二自由端部分沿相反的方向卷绕在所述滑轮周围并联接在对抗致动器副的致动器上，所述致动器副构造成沿任一方向绕着所述可变半径滑轮选择性地拉曳所述腱索。
16.一种制造用于在仿生机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节的方法，所述方法包括：
获得基部支承部件和转动支承部件；
将具有枢转装置的可变半径滑轮联接在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间以便于所述转动支承部件围绕所述基部支承部件转动；
将至少一个对抗致动器副装配于所述转动支承部件上；以及
将至少一个柔性腱索安装在所述可变半径滑轮与所述对抗致动器副之间，其中，所述致动器副启动以沿任一方向绕着所述可变半径滑轮拉曳所述腱索以在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间形成可变扭矩。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述可变半径滑轮还包括：
具有周向外表面和枢转装置的槽轮体，所述外表面与所述枢转装置之间的径向距离可沿着所述外表面的长度变化；
形成在所述外表面中的至少一个腱索沟槽；以及
位于所述腱索沟槽内的腱索附接部位。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，所述柔性腱索还包括：
第一柔性腱索；以及
第二柔性腱索，各腱索联接在所述腱索附接部位上并具有自由端部分，所述自由端部分在所述腱索沟槽内沿彼此相反的方向卷绕在所述滑轮周围，并且所述自由端部分联接在所述对抗致动器副的致动器上。
19.根据权利要求17的方法，其特征在于，所述柔性腱索还包括：
联接在所述腱索附接部位上的中间部分；以及
第一和第二自由端部分，所述第一和第二自由端部分在所述腱索沟槽内沿相反的方向卷绕在所述滑轮周围并联接在所述对抗致动器副的致动器上。
20.一种用于在仿生机器人设备的支承部件之间产生可变扭矩的仿生机械关节，所述机械关节包括：
基部支承部件；
可转动地联接在所述基部支承部件上的转动支承部件；
可变半径滑轮，所述可变半径滑轮可操作地联接在所述基部支承部件与所述转动支承部件之间以便于所述转动支承部件围绕所述基部支承部件转动，所述滑轮包括：
具有周向外表面和枢转部位的槽轮体，所述外表面与所述枢转部位
之间的径向距离可沿着所述外表面的长度变化；
形成在所述外表面中的至少两个腱索沟槽，各个腱索沟槽具有腱索
承坐表面和侧壁；和
位于各个所述腱索沟槽内的腱索附接部位；
至少两个柔性腱索，各柔性腱索联接在所述腱索附接部位之一上并具有第一自由端部分和第二自由端部分，所述第一自由端部分和第二自由端部分在所述腱索沟槽内沿相反的方向卷绕在所述滑轮周围；以及
至少两个对抗致动器副，各致动器副利用一对端部连接器联接在所述至少两个腱索之一的第一端部分和第二端部分上，并且构造成沿任一方向绕着所述滑轮选择性地操作所述腱索以在所述基部支承部件与所述转动支承部件形成可变扭矩。
21.根据权利要求20的机械关节，其特征在于，该机械关节还包括切口，所述切口位于所述槽轮体的与所述腱索附接部位相对的侧壁中，所述切口构造成当所述滑轮转动至任一最远转动位置时接纳端部连接器。
22.根据权利要求20的机械关节，其特征在于，所述对抗致动器副中的一个比另一个大。
23.根据权利要求22的机械关节，其特征在于，所述柔性腱索还包括具有矩形截面的腱索带，并且所述柔性腱索和相应的腱索沟槽中的一者比另一者宽。
24.根据权利要求23的机械关节，其特征在于，所述至少两个对抗致动器副中的每个致动器的尺寸被单独确定成不同于其余致动器中的任一者。
25.根据权利要求20的机械关节，其特征在于，所述至少两个对抗致动器副的每个致动器选自由液压动力缸、气动动力缸、直线电动机和旋转电动机组成的组。
26.根据权利要求1、13或20的机械关节，其特征在于，所述可变半径滑轮还包括直径不同于小腱索沟槽的大腱索沟槽，以向可利用所述腱索沟槽操作的腱索与致动器对提供不同的机械利益。
27.根据权利要求1、13或20的机械关节，其特征在于，所述可变半径滑轮还包括大腱索沟槽和小腱索沟槽，其中各个腱索沟槽具有非圆形状，并且各个腱索沟槽相对于彼此偏移而未对齐。
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