CN101817181B

CN101817181B - 基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂

Info

Publication number: CN101817181B
Application number: CN2010101484827A
Authority: CN
Inventors: 金英子; 朱红亮; 刘爽
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101817181A

Abstract

本发明公开了一种由气动肌肉驱动的六自由度柔性机械手臂机构，它主要包括机械手臂固定平台、肩关节、肩关节驱动、肘关节、肘关节驱动、腕关节和腕关节驱动所组成，其中肩关节驱动安装与机械手臂固定平台之上，利用气动肌肉并联带动轴和转子来实现肩关节绕Y轴和Z轴旋转，肘关节采用虎克铰机构，由四根肌肉并联工作来实现肘关节绕X轴和Y轴旋转，腕关节采用虎克铰机构，由四根肌肉并联工作来实现腕关节绕Z轴和Y轴旋转。本发明解决了目前机械手臂使用的缺陷，具有结构新颖，简单，易控制，柔顺，承载能力强，精度高，无积累误差，反应快，刚性、动态性能大等优点，同时利用远程控制该机械手臂，在危险作业环境下也具有很高的利用价值。

Description

基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂

技术领域

本发明涉及仿生机器人和康复机器人领域，尤其涉及一种基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂。

背景技术

随着仿生学和机器人学的不断发展，对于仿人机械手臂的研究也在不断深化。仿人机械手手臂灵活可靠的优点，使其在在医疗、服务等多个领域得到了广泛的应用。传统的机械手臂中，模拟人体手构成和运动方式的关节型机械手臂，具有结构简单、空间体积小、运动空间大等优点，是研究最为广泛的机械手臂。国内外对此类机械手臂结构进行了大规模的研究和设计。但是此类机械手臂机构数目众多，能量损耗大，驱动装置复杂，使用不灵活。在某些特殊场合，机械手臂不仅要具有精度高、反应快等特点，而且在抓取操作时还要具有良好的柔顺性。因此，人们不仅希望机械手臂具有精度高、响应快、承载能力大等特点，而且希望能表现出良好的柔顺性，尤其是在仿生和康复领域，人们对机械手臂柔顺安全性的要求远远大于对其位置精度和承载力的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂。

基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂包括机械手臂固定平台、肩关节、肘关节、腕关节、肩关节驱动、肘关节驱动、腕关节驱动，肩关节驱动包括第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉、第五气动人工肌肉、第六气动人工肌肉，肘关节驱动包括第七气动人工肌肉、第八气动人工肌肉、第九气动人工肌肉、第十气动人工肌肉，腕关节驱动包括第十一气动人工肌肉、第十二气动人工肌肉、第十三气动人工肌肉、第十四气动人工肌肉；机械手固定平台与滑块机构连接，滑块机构与旋转机构相连接，滑块机构通过第五气动人工肌肉、第六气动人工肌肉实现肩关节绕Z轴旋转运动，旋转机构通过中间支撑杆连接肩部大U型框，肩部大U型框上安装有肩部轴，肩部轴与转子相连接，转子通过第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉与旋转机构相并联，第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉带动转子和肩部轴运动实现肩关节绕Y轴转动，肩部轴的另一端接有肩部旋转块，肩部轴的旋转带动肩部旋转块旋转，肩部旋转块通过肘部支撑杆与肘部虎克铰上叉形铰链座相连，肩部旋转块通过第七气动人工肌肉、第八气动人工肌肉、第九气动人工肌肉、第十气动人工肌肉与肘部虎克铰下叉形铰链座相并联，肘部虎克铰上叉形铰链座和肘部虎克铰下叉形铰链座连接有肘部十字轴，第七气动人工肌肉、第八气动人工肌肉、第九气动人工肌肉、第十气动人工肌肉带动肘部虎克铰运动来实现肘关节绕X轴和Y轴旋转运动，肘部虎克铰下叉形铰链座通过腕部支撑杆与腕部上叉形铰链座相连接，肘部虎克铰下叉形铰链座通过第十一气动人工肌肉、第十二气动人工肌肉、第十三气动人工肌肉、第十四气动人工肌肉与腕部虎克铰下叉形铰链座相并联，腕部虎克铰上叉形铰链座和腕部虎克铰下叉形铰链座连接有腕部十字轴，第十一气动人工肌肉、第十二气动人工肌肉、第十三气动人工肌肉、第十四气动人工肌肉带动腕部虎克铰运动来实现腕关节绕Z轴和Y轴旋转运动。

本发明旨在利用气动人工肌肉设计一种高精度的六自由度柔性机械手臂，解决现有机械手臂的一些缺陷。设计过程中充分利用气动人工肌肉的柔顺性和并联机器人精度高等特点，拓宽了机械手臂的研究领域，适应了仿生、康复等领域对机械手臂关节柔顺性的需求。

本发明采用并联机构来实现关节运动，利用气动肌肉作为关节的执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，利用虎克铰机构来实现腕关节两个旋转自由度和腕关节的两个旋转自由度，通过轴带动整个手臂实现肩关节的两个自由度。该六自由度柔性机械手臂具有结构新颖，简单，易控制，柔顺，承载能力强，精度高，无积累误差，反应快，刚性、动态性能大等优点。

附图说明

图1为多自由度柔性机械手机构示意图；

图2为腕关节虎克铰机构示意图；

图3为肘关节虎克铰机构示意图；

图4为六自由度柔性机械手臂控制流程图；

图中：机械手臂固定平台1、肩关节2、肘关节3、腕关节4、第一气动人工肌肉5、第二气动人工肌肉6、第三气动人工肌肉7、第四气动人工肌肉8、第五气动人工肌肉9、第六气动人工肌肉10、肩关节驱动11、肘关节驱动12、腕关节驱动13、第七气动人工肌肉14、第八气动人工肌肉15、第九气动人工肌肉16、第十气动人工肌肉17、第十一气动人工肌肉18、第十二气动人工肌肉19、第十三气动人工肌肉20、第十四气动人工肌肉21、移动导轨22、旋转机构23、滑块机构24、中间支撑杆25、肩部轴26、直线轴承27、直线轴承28、肘部支撑杆29、肩部旋转块30、肘部虎克铰上叉形铰链座31、肘部虎克铰下叉形铰链座32、腕部支撑杆33、腕部虎克铰上叉形铰链座34、腕部十字轴35、肘部十字轴36、肩部大U型框37、转子38、腕部虎克铰下叉形铰链座39、手爪40。

具体实施方式

如图1～3所示，基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂包括机械手臂固定平台1、肩关节2、肘关节3、腕关节4、肩关节驱动11、肘关节驱动12、腕关节驱动13，肩关节驱动11包括第一气动人工肌肉5、第二气动人工肌肉6、第三气动人工肌肉7、第四气动人工肌肉8、第五气动人工肌肉9、第六气动人工肌肉10，肘关节驱动12包括第七气动人工肌肉14、第八气动人工肌肉15、第九气动人工肌肉16、第十气动人工肌肉17，腕关节驱动13包括第十一气动人工肌肉18、第十二气动人工肌肉19、第十三气动人工肌肉20、第十四气动人工肌肉21；机械手固定平台1与滑块机构24连接，滑块机构24与旋转机构23相连接，滑块机构24通过第五气动人工肌肉9、第六气动人工肌肉10实现肩关节2绕Z轴旋转运动，旋转机构23通过中间支撑杆25连接肩部大U型框37，肩部大U型框37上安装有肩部轴26，肩部轴26与转子38相连接，转子38通过第一气动人工肌肉5、第二气动人工肌肉6、第三气动人工肌肉7、第四气动人工肌肉8与旋转机构23相并联，第一气动人工肌肉5、第二气动人工肌肉6、第三气动人工肌肉7、第四气动人工肌肉8带动转子38和肩部轴26运动实现肩关节2绕Y轴转动，肩部轴26的另一端接有肩部旋转块30，肩部轴26的旋转带动肩部旋转块30旋转，肩部旋转块30通过肘部支撑杆29与肘部上叉形铰链座31相连，肩部旋转块30通过第七气动人工肌肉14、第八气动人工肌肉15、第九气动人工肌肉16、第十气动人工肌肉17与肘关节虎克铰下叉形铰链座32相并联，上叉形铰链座31和下叉形铰链座32连接有肘部十字轴36，第七气动人工肌肉14、第八气动人工肌肉15、第九气动人工肌肉16、第十气动人工肌肉17带动肘部虎克铰运动来实现肘关节绕X轴和Y轴旋转运动，肘关节虎克铰下叉形铰链座32通过腕部支撑杆33与腕部上叉形铰链座34相连接，肘关节虎克铰下叉形铰链座32通过第十一气动人工肌肉18、第十二气动人工肌肉19、第十三气动人工肌肉20、第十四气动人工肌肉21与腕关节虎克铰下叉形铰链座39相并联，腕部上叉形铰链座34和腕部下叉形铰链座39连接有腕部十字轴35，第十一气动人工肌肉18、第十二气动人工肌肉19、第十三气动人工肌肉20、第十四气动人工肌肉21带动腕部虎克铰运动来实现腕关节绕Z轴和Y轴旋转运动。

本发明的工作过程如下，肩关节运动：通过第五气动人工肌肉9、第六气动人工肌肉10中输入不同压力值的气体来实现肩关节2绕Z轴旋转运动；通过第一气动人工肌肉5、第二气动人工肌肉6和第三气动人工肌肉7、第四气动人工肌肉8组成的两对气动肌肉其中一对缩短而相邻的一对伸长来实现肩关节绕Y轴转动。肘关节运动：通过第七气动人工肌肉14、第八气动人工肌肉15和第九气动人工肌肉16、第十气动人工肌肉17组成的两对气动肌肉其中一对缩短而相邻的一对伸长来实现肘关节绕Y轴转动；通过第七气动人工肌肉14、第九气动人工肌肉16和第八气动人工肌肉15、第十气动人工肌肉17组成的两对气动肌肉其中一对缩短而相邻的一对伸长来实现肘关节绕X轴旋转。腕关节运动：通过第十一气动人工肌肉18、第十二气动人工肌肉19、第十三气动人工肌肉20、第十四气动人工肌肉21组成的两对气动肌肉其中一对缩短而相邻的一对伸长来实现腕关节绕Y轴转动；当第十一气动人工肌肉18、第十三气动人工肌肉20和第十二气动人工肌肉19、第十四气动人工肌肉21组成的两对气动肌肉其中一对缩短而相邻的一对伸长来实现腕关节绕Z轴旋转。因此，通过控制各气动人工肌肉的内部压力来实现机械手的腕关节、肘关节和肩关节的转动，从而使得末端执行机构精确达到所需空间位置。

如图4所示，在控制界面中输入气动肌肉机械手的操作命令，通过数据采集卡D/A口和I/O口分别调节压力比例阀和电磁阀，从而控制气路系统的各支路，通过压力传感器检测压力状况，由位移传感器检测气动人工肌肉的输出位移，同时利用角度传感器检测气动肌肉机械手关节的转动角度，各传感器把检测到的模拟信号通过数据采集卡的A/D转换后输入到控制界面。在控制系统中，利用nRF905可实现对该六自由度柔性机械手进行远距离控制。

Claims

1.一种基于气动肌肉的六自由度柔性机械手臂，其特征在于包括机械手臂固定平台(1)、肩关节(2)、肘关节(3)、腕关节(4)、肩关节驱动(11)、肘关节驱动(12)、腕关节驱动(13)，肩关节驱动(11)包括第一气动人工肌肉(5)、第二气动人工肌肉(6)、第三气动人工肌肉(7)、第四气动人工肌肉(8)、第五气动人工肌肉(9)、第六气动人工肌肉(10)，肘关节驱动(12)包括第七气动人工肌肉(14)、第八气动人工肌肉(15)、第九气动人工肌肉(16)、第十气动人工肌肉(17)，腕关节驱动(13)包括第十一气动人工肌肉(18)、第十二气动人工肌肉(19)、第十三气动人工肌肉(20)、第十四气动人工肌肉(21)；机械手固定平台(1)与滑块机构(24)连接，滑块机构(24)与旋转机构(23)相连接，滑块机构(24)通过第五气动人工肌肉(9)、第六气动人工肌肉(10)实现肩关节(2)绕Z轴旋转运动，旋转机构(23)通过中间支撑杆(25)连接肩部大U型框(37)，肩部大U型框(37)上安装有肩部轴(26)，肩部轴(26)与转子(38)相连接，转子(38)通过第一气动人工肌肉(5)、第二气动人工肌肉(6)、第三气动人工肌肉(7)、第四气动人工肌肉(8)与旋转机构(23)相并联，第一气动人工肌肉(5)、第二气动人工肌肉(6)、第三气动人工肌肉(7)、第四气动人工肌肉(8)带动转子(38)和肩部轴(26)运动实现肩关节(2)绕Y轴转动，肩部轴(26)的另一端接有肩部旋转块(30)，肩部轴(26)的旋转带动肩部旋转块(30)旋转，肩部旋转块(30)通过肘部支撑杆(29)与肘部虎克铰上叉形铰链座(31)相连，肩部旋转块(30)通过第七气动人工肌肉(14)、第八气动人工肌肉(15)、第九气动人工肌肉(16)、第十气动人工肌肉(17)与肘部虎克铰下叉形铰链座(32)相并联，肘部虎克铰上叉形铰链座(31)和肘部虎克铰下叉形铰链座(32)连接有肘部十字轴(36)，第七气动人工肌肉(14)、第八气动人工肌肉(15)、第九气动人工肌肉(16)、第十气动人工肌肉(17)带动肘部虎克铰运动来实现肘关节绕X轴和Y轴旋转运动，肘部虎克铰下叉形铰链座(32)通过腕部支撑杆(33)与腕部虎克铰上叉形铰链座(34)相连接，肘部虎克铰下叉形铰链座(32)通过第十一气动人工肌肉(18)、第十二气动人工肌肉(19)、第十三气动人工肌肉(20)、第十四气动人工肌肉(21)与腕部虎克铰下叉形铰链座(39)相并联，腕部上叉形铰链座(34)和腕部虎克铰下叉形铰链座(39)连接有腕部十字轴(35)，第十一气动人工肌肉(18)、第十二气动人工肌肉(19)、第十三气动人工肌肉(20)、第十四气动人工肌肉(21)带动腕部虎克铰运动来实现腕关节绕Z轴和Y轴旋转运动，腕部虎克铰下叉形铰链座(39)与手爪(40)相连接。