CN102126210A - 七自由度气动肌肉柔性机械手臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种七自由度气动肌肉柔性机械手臂。它包括机械手臂固定平台、肩关节、肘关节、腕关节以及气爪，该机械手臂具有重量轻、柔顺、易控制等特点。机械手各关节采用不同的设计机构，其中腕关节采用虎克铰来驱动关节的两个自由度，可以绕Y轴和Z轴旋转；肘关节也采用虎克铰驱动两个自由度，可以绕X轴和Y轴旋转；肩关节采用一球绞和一回转机构分体组成来驱动关节的三个自由度，可以绕X、Y、Z轴旋转。本发明具有结构新颖，重量轻，易控制，柔顺，精度高，反应快，刚性、动态性能大等优点。它对于存在障碍物特殊场合和机械结构存在奇异性状态下解决问题具有重要的实际意义。同时利用远程控制系统，在危险作业环境下也具有很高的利用价值。

Description

七自由度气动肌肉柔性机械手臂
技术领域
本发明涉及机械手臂，尤其涉及一种七自由度气动肌肉柔性机械手臂。
背景技术
传统机械手臂均采用6个自由度，机械手臂只需6个自由度就可以到达空间任何位置。目前为止，六自由度非冗余机器人运动学理论已相当成熟。但是，由于机构的奇异及障碍物的存在，机械手臂无法完成某些较为复杂的动作。因此，人们希望机械手臂多余六个自由度，同时不仅具有精度高、响应快、承载能力大等特点，而且具有良好的柔顺性。七自由度对于需要避障和回避内部奇异的机器人来说是最少的自由度数。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种七自由度气动肌肉柔性机械手臂。
七自由度气动肌肉柔性机械手臂包括机械手臂固定平台、肩关节、肘关节、腕关节以及气爪；肩关节由第一动肌肉、第二气动肌肉、第三气动肌肉、第四气动肌肉、第五气动肌肉、第六气动肌肉驱动，肘关节由第七气动肌肉、第八气动肌肉、第九气动肌肉、第十气动肌肉驱动，腕关节由第十一气动肌肉、第十二气动肌肉、第十三气动肌肉、第十四气动肌肉驱动；机械手臂固定平台通过肩部滑动支撑杆和底部旋转机构相连接，带动整个机械手臂运动，滑动支撑杆两侧设有第一气动肌肉、第二气动肌肉，第一气动肌肉、第二气动肌肉带动整个机械手臂绕肩部旋转支撑杆旋转，肩部旋转支撑杆上装有球绞，球绞连有肩部连接件，肩部连接件的一端装有驱动肩关节运动的第三气动肌肉、第四气动肌肉、第五气动肌肉、第六气动肌肉，肩部连接件的另一端装有驱动肘关节运动的第七气动肌肉、第八气动肌肉、第九气动肌肉、第十气动肌肉，第三气动肌肉、第四气动肌肉、第五气动肌肉、第六气动肌肉驱动肩关节绕X、Y轴旋转，底部旋转机构与旋转底盘相连接，旋转底盘顶部通过旋转机构与肩部滑动支撑杆相连接，肩部连接件两端的中心分别设有肩部旋转支撑杆和肘部旋转支撑杆，肘部旋转支撑杆连接肘关节虎克铰上叉形铰链座，肘关节虎克铰上叉形铰链座通过肘部十字架与肘关节虎克铰下叉形铰链座相连接，肘关节虎克铰下叉形铰链座与第七气动肌肉、第八气动肌肉、第九气动肌肉、第十气动肌肉的另一端相连接，第七气动肌肉、第八气动肌肉、第九气动肌肉、第十气动肌肉驱动肘关节绕X、Y轴旋转，肘关节虎克铰下叉形铰链座的另一端设有第十一气动肌肉、第十二气动肌肉、第十三气动肌肉、第十四气动肌肉，肘关节虎克铰下叉形铰链座连有腕部支撑杆，腕部支撑杆连接腕关节虎克铰上叉形铰链座，腕关节虎克铰上叉形铰链座通过肘部十字架与腕关节虎克铰下叉形铰链座相连接，腕关节虎克铰下叉形铰链座与第十一气动肌肉、第十二气动肌肉、第十三气动肌肉、第十四气动肌肉的另一端相连接，第十一气动肌肉、第十二气动肌肉、第十三气动肌肉、第十四气动肌肉驱动腕关节绕Y、Z轴旋转，腕关节虎克铰下叉形铰链座连接手爪。
本发明旨在结合气动人工肌肉解决现有气动肌肉机械手臂的一些缺点。充分利用多自由度能够解决机构的奇异及障碍物的存在等特殊场合的需求。同时气动人工肌肉具有柔顺性特点，拓宽了机械手臂的研究领域，适合于特殊场合对机械手臂的特殊要求。通过控制各气动人工肌肉气路不同的压力值来实现机械手臂各个关节的转动，从而使得末端执行机构达到所需空间位置。
本发明的七自由度气动肌肉机械手臂肘关节和腕关节分别由四根气动人工肌肉驱动，肩关节采用6根气动肌肉驱动，关节由并联机构组成，四根气动肌肉组成两组，采用两路气体输入。两组气路充入不同压力的压缩空气时，使得关节绕相应的轴转动。因此，通过控制气路的压力来实现机械手臂的腕关节、肘关节和肩关节的转动角度和转动方向，从而使得末端执行机构达到所要求的空间位置。
附图说明
图1是七自由度气动肌肉柔性机械手臂机构示意图；
图中：机械手臂固定平台1、肩关节2、肘关节3、腕关节4、气爪5、第一气动肌肉6、第二气动肌肉7、第三气动肌肉8、第四气动肌肉9、第五气动肌肉10、第六气动肌肉11、第七气动肌肉12、第八气动肌肉13、第九气动肌肉14、第十气动肌肉15、第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17、第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19、肩部滑动支撑杆20、底部旋转机构21、肩部旋转支撑杆22、球绞23、肩部连接件24、旋转底盘25、旋转机构26、肘部旋转支撑杆27、肘关节虎克铰上叉形铰链座28、肘关节虎克铰下叉形铰链座29、肘部十字架30、腕部支撑杆31、腕关节虎克铰下叉形铰链座32、腕关节虎克铰上叉形33、肘部十字架34。
具体实施方式
如图1所示，七自由度气动肌肉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以及气爪5；肩关节2由第一动肌肉6、第二气动肌肉7、第三气动肌肉8、第四气动肌肉9、第五气动肌肉10、第六气动肌肉11、驱动，肘关节3由第七气动肌肉12、第八气动肌肉13、第九气动肌肉14、第十气动肌肉15驱动，腕关节由第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17、第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19驱动；机械手臂固定平台1通过肩部滑动支撑杆20和底部旋转机构21相连接，带动整个机械手臂运动，滑动支撑杆20两侧设有第一气动肌肉6、第二气动肌肉7，第一气动肌肉6、第二气动肌肉7带动整个机械手臂绕肩部旋转支撑杆22旋转，肩部旋转支撑杆22上装有球绞23，球绞23连有肩部连接件24，肩部连接件24的一端装有驱动肩关节运动的第三气动肌肉8、第四气动肌肉9、第五气动肌肉10、第六气动肌肉11，肩部连接件24的另一端装有驱动肘关节运动的第七气动肌肉12、第八气动肌肉13、第九气动肌肉14、第十气动肌肉15，第三气动肌肉8、第四气动肌肉9、第五气动肌肉10、第六气动肌肉11驱动肩关节绕X、Y轴旋转，底部旋转机构21与旋转底盘25相连接，旋转底盘25顶部通过旋转机构26与肩部滑动支撑杆20相连接，肩部连接件24两端的中心分别设有肩部旋转支撑杆22和肘部旋转支撑杆27，肘部旋转支撑杆27连接肘关节虎克铰上叉形铰链座28，肘关节虎克铰上叉形铰链座28通过肘部十字架30与肘关节虎克铰下叉形铰链座29相连接，肘关节虎克铰下叉形铰链座29与第七气动肌肉12、第八气动肌肉13、第九气动肌肉14、第十气动肌肉15的另一端相连接，第七气动肌肉12、第八气动肌肉13、第九气动肌肉14、第十气动肌肉15驱动肘关节绕X、Y轴旋转，肘关节虎克铰下叉形铰链座29的另一端设有第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17、第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19，肘关节虎克铰下叉形铰链座29连有腕部支撑杆31，腕部支撑杆31连接腕关节虎克铰上叉形铰链座33，腕关节虎克铰上叉形铰链座33通过肘部十字架34与腕关节虎克铰下叉形铰链座32相连接，腕关节虎克铰下叉形铰链座32与第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17、第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19的另一端相连接，第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17、第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19驱动腕关节绕Y、Z轴旋转，腕关节虎克铰下叉形铰链座32连接手爪5。
本发明通过输入不同压力值的气体来实现机械手臂关节的运动。其中第一气动肌肉6、第二气动肌肉7通过输入不同压力值的气体来带动整个机械手臂绕肩部绕Z轴旋转。第三气动肌肉8、第四气动肌肉9和第五气动肌肉10、第六气动肌肉11输入不同压力值的气体驱动肩关节绕X轴旋转；气动肌肉8、10和9、11第三气动肌肉8、第五气动肌肉10和第四气动肌肉9、第六气动肌肉11输入不同压力值的气体驱动肩关节绕Y轴。第十一气动肌肉16、第十二气动肌肉17和第十三气动肌肉18、第十四气动肌肉19输入不同压力值的气体驱动腕关节绕Z轴旋转；第十一气动肌肉16、第十三气动肌肉18和第十二气动肌肉17、第十四气动肌肉19输入不同压力值的气体驱动腕关节绕X轴旋转。通过控制各气动人工肌肉气路不同的压力值来实现机械手臂各个关节的转动，从而使得末端执行机构达到所需空间位置。

Claims (1)

1. 一种七自由度气动肌肉柔性机械手臂，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)以及气爪(5)；肩关节(2)由第一动肌肉(6)、第二气动肌肉(7)、第三气动肌肉(8)、第四气动肌肉(9)、第五气动肌肉(10)、第六气动肌肉(11)驱动，肘关节(3)由第七气动肌肉(12)、第八气动肌肉(13)、第九气动肌肉(14)、第十气动肌肉(15)驱动，腕关节由第十一气动肌肉(16)、第十二气动肌肉(17)、第十三气动肌肉(18)、第十四气动肌肉(19)驱动；机械手臂固定平台(1)通过肩部滑动支撑杆(20)和底部旋转机构(21)相连接，带动整个机械手臂运动，滑动支撑杆(20)两侧设有第一气动肌肉(6)、第二气动肌肉(7)，第一气动肌肉(6)、第二气动肌肉(7)带动整个机械手臂绕肩部旋转支撑杆(22)旋转，肩部旋转支撑杆(22)上装有球绞(23)，球绞(23)连有肩部连接件(24)，肩部连接件(24)的一端装有驱动肩关节运动的第三气动肌肉(8)、第四气动肌肉(9)、第五气动肌肉(10)、第六气动肌肉(11)，肩部连接件(24)的另一端装有驱动肘关节运动的第七气动肌肉(12)、第八气动肌肉(13)、第九气动肌肉(14)、第十气动肌肉(15)，第三气动肌肉(8)、第四气动肌肉(9)、第五气动肌肉(10)、第六气动肌肉(11)驱动肩关节绕X、Y轴旋转，底部旋转机构(21)与旋转底盘(25)相连接，旋转底盘(25)顶部通过旋转机构(26)与肩部滑动支撑杆(20)相连接，肩部连接件(24)两端的中心分别设有肩部旋转支撑杆(22)和肘部旋转支撑杆(27)，肘部旋转支撑杆(27)连接肘关节虎克铰上叉形铰链座(28)，肘关节虎克铰上叉形铰链座(28)通过肘部十字架(30与肘关节虎克铰下叉形铰链座(29相连接，肘关节虎克铰下叉形铰链座(29)与第七气动肌肉(12)、第八气动肌肉(13)、第九气动肌肉(14)、第十气动肌肉(15)的另一端相连接，第七气动肌肉(12)、第八气动肌肉(13)、第九气动肌肉(14)、第十气动肌肉(15)驱动肘关节绕X、Y轴旋转，肘关节虎克铰下叉形铰链座(29)的另一端设有第十一气动肌肉(16)、第十二气动肌肉(17)、第十三气动肌肉(18)、第十四气动肌肉(19)，肘关节虎克铰下叉形铰链座(29)连有腕部支撑杆(31)，腕部支撑杆(31)连接腕关节虎克铰上叉形铰链座(33)，腕关节虎克铰上叉形铰链座(33)通过肘部十字架(34)与腕关节虎克铰下叉形铰链座(32)相连接，腕关节虎克铰下叉形铰链座(32)与第十一气动肌肉(16)、第十二气动肌肉(17)、第十三气动肌肉(18)、第十四气动肌肉(19)的另一端相连接，第十一气动肌肉(16)、第十二气动肌肉(17)、第十三气动肌肉(18)、第十四气动肌肉(19)驱动腕关节绕Y、Z轴旋转，腕关节虎克铰下叉形铰链座(32)连接手爪(5)。
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