CN104589310B - 一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手。目的是提供的机械手应具备人手的一些基功能，并具有实用、柔顺、安全、体积小、轻巧、易控制以及机构简单的特点。技术方案是：一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，包括气路控制系统；该仿人机械手还包括机械手机构以及人工肌肉系统。机械手机构包括机械大臂、机械小臂、手以及五个手指；所述人工肌肉系统包括驱动机械大臂的若干根第三气动人工肌肉和若干根第四气动人工肌肉、驱动机械小臂的若干根第一气动人工肌肉、驱动腕关节的若干根第五气动人工肌肉以及驱动五个手指的若干根第二气动人工肌肉。

Description

一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手

技术领域

本发明涉及机器人机械手，具体涉及一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手。

背景技术

随着自动化和工业机械化的发展，以及气动技术本身的优点，气动机械手的研究越来越多，并已在仿生机器人、仿生医学、服务机器人等领域取得了广泛的应用。并且随着机器人技术的不断发展，不仅希望机器人具有安全性高、精度高、响应快、承载能力大等特点，而且能具有良好的柔顺性，特别是在仿生机器人和康复机器人以及服务机器人，发明研制了气动人工肌肉。相比于传统驱动装置，气动人工肌肉驱动具有柔顺性好、质量轻、功率重量比大、使用安全方便等优点。气动肌肉驱动的机器人手臂是一类具有良好柔顺性能、安全性能的机器人手臂。

气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件，最早是在1900年被“机构学之父”Reuleaux所提及。1953年，Morin设计了Morin肌肉。二十世纪五十年代，美国医生JosephL.Mckibben发明了一种能驱动假肢运动的气动肌肉，并命名为Mckibben肌肉。Mckibben肌肉应用最为广泛。国内外对气动人工肌肉机器人进行了大量的研究：美国华盛顿大学的Hannaford等人用15条气动肌肉设计了一条仿人手臂，采用模拟的脊髓神经网络控制，用来研究人类低级神经反射及脊髓控制反射；英国的Shadodow公司用了数十条McKibben型人工肌肉设计了仿生手臂，每条气动人工肌肉的安装位置与人类手臂相应的肌肉相吻合，它能像人类手臂一样实现屈肘以及臂前伸、外展等动作；南京理工大学的卫玉芬设计了包括前臂、手腕、和手三部分的气动肌肉柔顺机器人手臂；哈尔滨工业大学的隋立明设计了由气动肌肉驱动的七自由度仿人手臂。然而，上述研究均未达到实用阶段，并且结构较为复杂，体积也较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手；该机械手应具备人手的一些基功能，并具有实用、柔顺、安全、体积小、轻巧、易控制以及机构简单的特点。

本发明提供的技术方案是：一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，包括气路控制系统；其特征在于该仿人机械手还包括机械手机构以及为机械手机构提供动力且由所述气路控制系统控制的人工肌肉系统；

所述机械手机构包括通过肩关节和旋转支架可活动地定位在固定支架上的机械大臂、通过肘关节可活动地定位在机械大臂上的机械小臂、通过腕关节以及圆盘架可活动地定位在机械小臂上的手以及可活动地并联定位在手掌上的五个手指；

所述人工肌肉系统包括驱动机械大臂的若干根第三气动人工肌肉和若干根第四气动人工肌肉、驱动机械小臂的若干根第一气动人工肌肉、驱动腕关节的若干根第五气动人工肌肉以及驱动五个手指的若干根第二气动人工肌肉。

所述机械大臂的一端连接肩关节，机械大臂的另一端通过虎克铰可转动地连接肘关节；所述肩关节通过球铰可活动地定位在旋转支架上，旋转支架又通过铰接轴可转动地定位在固定支架上。

所述第三气动人工肌肉的一端可转动地定位在固定支架上，另一端通过虎克铰驱动旋转支架绕铰接轴线转动；所述第四气动人工肌肉的一端可转动地定位在旋转支架上，另一端通过虎克铰驱动肩关节以及机械大臂绕球铰中心转动。

所述机械小臂的一端固定在肘关节上，另一端通过虎克铰可转动地连接腕关节；所述第五气动人工肌肉的一端可转动地定位在肘关节上，另一端通过虎克铰驱动腕关节。

所述第一气动人工肌肉的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克铰驱动肘关节。

所述手通过第二铰接轴定位在与腕关节连为一体的圆盘架上；所述第二气动人工肌肉的一端固定在该圆盘架上，另一端连接钢丝。

所述五个手指中的食指、中指、无名指和小指，均由若干个指节分别通过一手指轴相互轴线平行地依次铰接形成，并且可转动地并联铰接在手掌上。

所述五个手指中的大拇指，若干个指节分别通过一大拇指轴相互轴线平行地依次铰接形成；该大拇指又通过十字轴可转动地定位在手掌上；所述十字轴中的一个轴线与四个手指中的铰接轴线垂直。

所述指节的两个铰接端中，其中一个铰接端固定一滑轮；该滑轮由所述钢丝驱动进而驱使指节运动，该钢丝的两端分别穿越各指节中的导丝孔、手掌上的导向轮以及圆盘架后再分别与所述第二气动人工肌肉的另一端连接；以实现手指的人工模拟运动。

所述圆盘架上制作有若干个用于钢丝运动导向的导向孔。

本发明的工作原理是：当各气路中充入不同压力的压缩空气时，各气动人工肌肉输出不同的位移，使得手臂各关节发生相应的转动，或拉动钢丝，带动滑轮，使手指各关节发生相应的转动。因此，通过控制气动人工肌肉内部气压来实现机械手各关节的转动角度和方向，再经过PID模糊整定自适应系统，进而使得机械手的运动实现自适应控制，最终达到所要求的空间位置。

本发明采用简单的并联机构以及用气动人工肌肉作为驱动器，结合气路系统和控制系统，实现了人手臂与手的基本功能，从而为替代人手臂与手奠定了基础。因此，此气动人工肌肉的多自由度仿人机械手具有实用、柔顺、安全、体积小、机构简单、轻巧、易控制等优点，满足康复机器人、仿生机器人、服务机器人等领域对其性能的需求，可以广泛运用。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的部分机构(去除手)的立体结构示意图之一。

图3为本发明的部分机构(去除手)的立体结构示意图之二。

图4为本发明的部分机构(去除手)的立体结构示意图之三。

图5为本发明中手的立体结构示意图。

图6为本发明中食指的立体结构示意图。

图7为本发明中大拇指的立体结构示意图。

图8为本发明中各手指的动力传递关系示意图。

图9为本发明中气路控制系统示意图。

图10为本发明的控制流程图。

图中：1.固定支架，2.肩关节，3.旋转支架，4.第一气动人工肌肉，5.肘关节，6.腕关节，7.圆盘架，8.第二气动人工肌肉，9.手，10.机械大臂，11.机械小臂，12.手掌，13.手指，14.小指，15.无名指，16.中指，17.食指，18.大拇指，19.导向轮，20.手指撑板，21.手指轴，22.手指近滑轮，24.手指近指节，25.手指中滑轮，27.手指中指节，28.手指远滑轮，30.手指远指节，31.轴承，32.大拇指撑板，34.十字轴，35.大拇指近指节，36.大拇指中滑轮，38.大拇指轴，39.大拇指中指节，40.大拇指远滑轮，42.大拇指远指节，43.第三气动人工肌肉，44.第四气动人工肌肉，45.虎克铰，46.第五气动人工肌肉，47.气源装置，48.气动三联件，49.比例压力阀，50.电磁阀，51.气动人工肌肉，52.数据采集卡，53.计算机，55.导丝孔，56.导向孔，57.钢丝。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例对本发明的具体结构和工作原理作进一步的说明。

气动人工肌肉作为一种新型的柔顺性高功率重量比的驱动器，具有体积小、结构简单等优点。首先，气动人工肌肉类似于生物肌肉，可以直接安装在机械手内部，来模仿生物肌肉，气动人工肌肉作为驱动器的机器人机械手外形都较纤细与轻巧，同时相比于其它驱动方式的机器人机械手刚度低，故此类机器人机械手兼具安全性和柔顺性。此外，根据气动肌肉的收缩性和响应性等特点，使其运动与人类肌肉运动更接近，从而实现仿人机械手功能，因此可以直接用来驱动。

如图所示，本发明包括机械手机构、为机械手机构提供动力的人工肌肉系统以及对人工肌肉系统进行控制的气路控制系统。

机械手机构中：机械大臂10通过肩关节2和旋转支架3可活动地定位在固定支架1上，机械小臂11通过肘关节5可活动地定位在机械大臂上，手9通过腕关节6可活动地定位在机械小臂上，包括大拇指、食指、中指无名指和小指的五个手指可活动地并联定位在手掌12上。

固定支架1通过铰接(铰接轴A)连接着旋转支架3；机械大臂10的一端连接肩关节，通过与肩关节配合的球铰B，机械大臂可转动地定位在旋转支架上；机械大臂的另一端通过虎克铰45可转动地连接着肘关节5；机械小臂11的一端固定在肘关节上，另一端通过虎克铰D可转动地连接腕关节6；手掌9通过第二铰接轴E可转动地定位在与腕关节连为一体的固定圆盘7上。

所述五个手指中的食指17、中指16、无名指15和小指14的结构类同，均由若干个指节分别通过手指轴21相互轴线平行地依次铰接形成，并且可转动地并联铰接在手掌上。以食指为例(参见图6)：若干个指节为通过手指轴依次铰接连为一体的手指近指节24、手指中指节27以及手指远指节30(食指又与固定在手掌上的手指撑板20铰接)。

所述五个手指中的大拇指则由若干个指节(图7中显示：若干个指节依次为大拇指近指节35、大拇指中指节39以及大拇指远指节42)分别通过大拇指轴38相互轴线平行地依次铰接连为一体，该大拇指又通过十字轴34可转动地定位在手掌上(定位在与手掌固定的大拇指撑板32上)；所述十字轴中的一个轴(定位在大拇指撑板上的一根轴)的轴线与四个手指的手指轴轴线垂直。

图6中可见：手指撑板20的一端通过手指轴21与手指近指节24的一端铰接(其中手指撑板与手指轴之间夹装着轴承31，手指近指节的铰接端固定着手指近滑轮22，手指近滑轮的轴线与手指轴21的轴线同轴)。

手指近指节24的一端通过手指轴21与手指中指节27的一端铰接(其中手指近指节与手指轴之间夹装着轴承，手指中指节的铰接端固定着手指中滑轮25，手指中滑轮的轴线与手指轴21的轴线同轴)。

手指中指节27的一端通过手指轴21与手指远指节30的一端铰接(其中手指中指节与手指轴之间夹装着轴承，手指远指节的铰接端固定着手指远滑轮28，手指远滑轮的轴线与手指轴21的轴线同轴)。

图7中可见：大拇指撑板32的一端通过十字轴与大拇指近指节35的一端相连(其中大拇指撑板与十字轴之间夹装着轴承31，大拇指近指节的铰接端固定着大拇指中滑轮36)；

大拇指近指节的一端通过大拇指轴38与大拇指中指节39的一端铰接(其中大拇指近指节与大拇指轴之间夹装着轴承，大拇指中指节的铰接端固定着大拇指中滑轮36，大拇指中滑轮轴线与大拇指轴轴线同轴)；

大拇指中指节的一端通过大拇指轴38与大拇指远指节42的一端铰接(其中大拇指中指节与大拇指轴之间夹装着轴承，大拇指远指节的铰接端固定着大拇指远滑轮40，大拇指远滑轮轴线与大拇指轴轴线同轴)。

所述人工肌肉系统中：若干根(图中显示2根)第三气动人工肌肉43的一端可转动地定位在固定支架上，另一端通过虎克铰驱动旋转支架绕铰接A的轴线转动(旋转运动)；若干根(图中显示4根)第四气动人工肌肉44的一端可转动地定位在旋转支架上，另一端通过虎克铰驱动肩关节以及机械大臂绕球铰中心转动(屈伸和收展运动)；若干根(图中显示4根)第一气动人工肌肉4的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克铰驱动肘关节绕虎克铰转动(屈伸和旋转运动)；若干根(图中显示4根)第五气动人工肌肉46的一端可转动地定位在肘关节上，另一端通过虎克铰驱动腕关节绕虎克铰转动(抬伸和收展运动)；若干根(图中显示30根)第二气动人工肌肉8的一端固定在该圆盘架上，另一端连接并施力一钢丝57以分别驱使所述的五个手指动作。上述可转动地定位均通过连接虎克铰实现。

图8显示了小指中若干钢丝的连接关系(为图面清晰，仅画出小指中的若干钢丝)：每根钢丝均对应缠绕一滑轮以进行驱动；每根钢丝的两端依次穿越过各指节底端(图中为右侧)的导丝孔55后再绕过手掌上的导向轮19，最后经过圆盘架上的导向孔56与两根第二气动人工肌肉连接；显然，两根第二气动人工肌肉配合动作(一根第二气动人工肌肉收缩，另一个第二气动人工肌肉伸长)即可拉动对应的滑轮转动，进而实现手指的人工模拟运动(图8中的6根第二气动人工肌肉驱动小指的三个滑轮动作)。

图9显示的气路控制系统，包括气源装置47、气动三联件(空气过滤器、减压阀和油雾器)48、比例压力阀49、电磁阀50、数据采集卡52、计算机53。前述各部件的连接关系均与申请人的前述专利(ZL200910098976.6以及ZL201010148482.7)相同。

计算机53通过数据采集卡52来控制比例压力阀49和电磁阀50，调节机械手各关节的运动，并通过压力传感器、角度传感器、位移传感器反馈给数据采集卡52，再次调节各关节的运动，从而实现精度高、响应快的控制。气源装置47与气动三联件48相通，接着连通比例压力阀49，再是电磁阀50，最后连通气动人工肌肉51，通过电磁阀50来控制相对应的气动人工肌肉51的进放气。

在计算机上利用C++Builder软件编写程序，加入PID参数的模糊整定控制，建立控制界面，输入气动人工肌肉机械手的操作命令，通过数据采集卡D/A口和I/O口分别调节比例压力阀和电磁阀，从而来控制气路系统各气动肌肉的压缩空气量，以此调节各关节的运动，并通过压力传感器检测气动人工肌肉内压力状况、位移传感器检测气动人工肌肉的输出位移、角度传感器检测机械手各关节的转动角度，将所检测的模拟信号反馈给数据采集卡，经A/D转换、PID模糊整定自适应系统后输入控制界面，再次调节各关节的运动，从而达到精度控制，并实现整个机械手运动的自适应控制。并利用数据手套、人工经验，建立数据库，将机械手每次所完成的工作任务的有关数据储存在数据库中，让机械手处于不断学习、不断进步，从而为以后在应对不同的工作任务下，直接通过调用数据库数据来操控机械手，真正实现机械手的自适应仿人功能。

本发明的工作过程如下：

(1)接通电源，打开气源装置，气体通过气动三联件，到达比例压力阀。

(2)利用C++Builder软件、模糊PID控制器，编辑控制界面，将数据采集卡通过USB与计算机建立通信，控制其D/A口的输出电压。

(3)由数据采集卡的D/A口的输出电压控制压力比例阀、电磁阀，进而调节气路中各气动人工肌肉内部的压力，使其长度及拉力发生变化，结合相应的并联机构和绳索带动滑轮，调节机械手各关节的运动，并通过压力传感器、角度传感器、位移传感器采集的模拟信号反馈给数据采集卡，经A/D转换、PID模糊整定自适应系统后，再次调节机械手各关节的运动，从而达到精度控制，并实现整个机械手运动的自适应控制，并利用数据手套、人工经验，建立数据库。

(4)根据仿人机械手执行机构的空间位置要求，其中肩关节2由三对气动人工肌肉驱动，肘关节、腕关节分别由两对气动人工肌肉驱动，每个手指与大拇指分别由三对气动人工肌肉驱动。当气动人工肌肉中充入不同压力的压缩空气时，肩关节、肘关节、腕关节、手指关节会产生相应的转动。

(5)通过控制系统、数据库调节各气动人工肌肉内气压，从而调节肩关节、肘关节、腕关节、手指关节，使得仿人机械手的执行机构达到所要求的空间位置，完成其工作任务，实现机械手的自适应仿人功能。

Claims (5)

1.一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，包括气路控制系统；其特征在于该仿人机械手还包括机械手机构以及为机械手机构提供动力且由所述气路控制系统控制的人工肌肉系统；

所述机械手机构包括通过肩关节(2)和旋转支架(3)可活动地定位在固定支架(1)上的机械大臂(10)、通过肘关节(5)可活动地定位在机械大臂上的机械小臂(11)、通过腕关节(6)以及圆盘架(7)可活动地定位在机械小臂上的手(9)以及可活动地并联定位在手掌上的五个手指；

所述人工肌肉系统包括驱动机械大臂的若干根第三气动人工肌肉(43)和若干根第四气动人工肌肉(44)、驱动机械小臂的若干根第一气动人工肌肉(4)、驱动腕关节的若干根第五气动人工肌肉(46)以及驱动五个手指的若干根第二气动人工肌肉(8)；

所述机械大臂的一端连接肩关节，机械大臂的另一端通过虎克铰可转动地连接肘关节；所述肩关节通过球铰(B)可活动地定位在旋转支架上，旋转支架又通过铰接轴(A)可转动地定位在固定支架上；

所述第三气动人工肌肉的一端可转动地定位在固定支架上，另一端通过虎克铰驱动旋转支架绕铰接轴线转动；所述第四气动人工肌肉的一端可转动地定位在旋转支架上，另一端通过虎克铰驱动肩关节以及机械大臂绕球铰中心转动；

所述机械小臂的一端固定在肘关节上，另一端通过虎克铰(D)可转动地连接腕关节；所述第五气动人工肌肉的一端可转动地定位在肘关节上，另一端通过虎克铰驱动腕关节；

所述第一气动人工肌肉的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克铰驱动肘关节；

所述手通过第二铰接轴(E)可转动地定位在与腕关节连为一体的圆盘架上；所述第二气动人工肌肉的一端固定在该圆盘架上，另一端连接钢丝(57)。

2.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，其特征在于：所述五个手指中的食指(17)、中指(16)、无名指(15)和小指(14)，均由若干个指节分别通过一手指轴(21)相互轴线平行地依次铰接形成，并且可转动地并联铰接在手掌(12)上。

3.根据权利要求2所述的基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，其特征在于：所述五个手指中的大拇指(18)，由若干个指节分别通过一大拇指轴(38)相互轴线平行地依次铰接形成；该大拇指又通过十字轴(34)可转动地定位在手掌上；所述十字轴中的一个轴线与四个手指中的铰接轴线垂直。

4.根据权利要求3所述的基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，其特征在于：所述指节的两个铰接端中，其中一个铰接端固定一滑轮；该滑轮由所述钢丝驱动进而驱使指节运动，所述钢丝的两端分别穿越各指节中的导丝孔(55)、手掌上的导向轮(19)以及圆盘架后再分别与所述第二气动人工肌肉的另一端连接；以实现手指的人工模拟运动。

5.根据权利要求4所述的基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，其特征在于：所述圆盘架上制作有若干个用于钢丝运动导向的导向孔(56)。