CN104786219A - 360度多自由度仿人气动肌肉机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及360度多自由度仿人气动肌肉机械手。目的是提供的该机械手应具备人手的一些基本功能，可以独立完成操作，并具有实用、柔顺、体积小、安全、易控制、轻巧及机构简单等特点。技术方案是：一种360度多自由度气动机械手，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；其特征在于：所述机械手机构包括旋转支架、机械大臂、机械小臂、手以及五个手指；所述人工气动肌肉系统包括若干个第二气动人工肌肉、若干个第一气动人工肌肉、若干个第五气动人工肌肉、若干个第三气动人工肌肉以及若干个第四气动人工肌肉。

Description

360度多自由度仿人气动肌肉机械手

技术领域

本发明涉及机器人机械手，具体涉及一种360度多自由度气动机械手。

背景技术

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓展，尤其在各种自由化生产线上得到广泛应用。同时，机械手的应用领域也从最开始的工业控制领域逐步发展到医疗康复、商业娱乐、体育运动、公共安全、家务劳动等多个领域中。从而结合于气动技术的机械手的研究在各个领域中取得了广泛的应用。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。气动肌肉驱动的机械手是一类具有良好柔顺性能、安全性能的机器人手臂。

气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。汽车制造工厂的生产线，尤其是焊接生产线大多采用了气动机械手。彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，可以看到各种大小不一、形状不同的气动机械手；对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装，烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序也大量采用了气动机械手。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci S外科手术机器人等。然而在许多领域，尚需一种能够在360度内调节且具有多自由度的气动机械手。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种360度多自由度气动机械手；该机械手应具备人手的一些基本功能，可以独立完成操作，并具有实用、柔顺、体积小、安全、易控制、轻巧及机构简单等特点。

本发明提供的技术方案是：一种360度多自由度气动机械手，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；其特征在于：

所述机械手机构包括通过可活动地定位在固定支架上的旋转支架、通过肩关节可活动地定位在旋转支架上的机械大臂、通过肘关节可活动地定位在机械大臂上的机械小臂、通过腕关节可活动地定位在机械小臂上且带有手掌的手以及可活动地并联定位在手掌上的五个手指；

所述人工气动肌肉系统包括通过钢丝绳驱动旋转支架的若干个第二气动人工肌肉、通过钢丝绳驱动肩关节的若干个第一气动人工肌肉、通过钢丝绳驱动肘关节的若干个第五气动人工肌肉、通过钢丝绳驱动腕关节的若干个第三气动人工肌肉以及通过钢丝绳驱动五个手指的若干个第四气动人工肌肉；以使机械臂上可以实现多自由度的运动，包括整个机械手实现360度运动、肩关节带动机械小臂绕机械大臂轴向方向的转动、肘关节带动机械小臂实现屈伸运动、腕关节带动手实现旋转和抬伸运动。

所述旋转支架的下端固定着旋转圆盘，上端安装着带有滑轮的肩关节；所述机械大臂的一端连接在肩关节上；

所述第二气动人工肌肉的一端定位在固定支架上，另一端连接的钢丝绳分别绕过导索架以及旋转圆盘后再与另一第二气动人工肌肉的一端连接，以实现整个机械手绕竖直轴线的360度运动；

所述第一气动人工肌肉的一端固定在旋转支架上，另一端连接的钢丝绳通过旋转支架上的导丝孔，绕过肩关节滑轮后与另一第一气动人工肌肉的一端连接，以实现机械大臂绕肩关节滑轮轴线的转动。

所述机械大臂的另一端与肘关节相连；所述第五气动人工肌肉一端固定在旋转支架上，另一端连接的钢丝绳通过旋转支架上的导丝孔，绕过肘关节滑轮后与另一第五气动人工肌肉的一端连接，以实现机械小臂绕肘关节滑轮轴线的转动。

所述机械小臂一端通过小臂右盘与肘关节相连，另一端与腕关节相连；所述若干第三气动人工肌肉的一端固定在小臂右盘上，另一端连接的钢丝绳分别绕过腕关节的两个滑轮后再与另一第三气动人工肌肉的一端连接，以实现手的旋转和抬伸运动。

所述手通过第一支撑架定位在连接腕关节的圆盘架上；所述若干第四气动人工肌肉的一端固定在该圆盘架上，另一端均连接一驱动手指的钢丝绳。

所述五个手指中的小拇指、无名指、中指、食指，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，由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。

所述指节的铰接端中，每个铰接端均定位一滑轮，每一滑轮上均缠绕一钢丝绳，该钢丝绳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两个第四人工肌肉连接；以实现手指的人工模拟运动。

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，从而拉动钢丝绳带动滑轮，使得手臂、手指各关节发生相应的转动，通过模拟仿真，可以驱动整个机械手实现360度运动。因此，只需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为本发明的工作状态示意图(图中省略钢丝绳)。

图3为本发明中机械大臂和机械小臂的立体放大结构示意图。

图4为本发明中手的立体放大结构示意图。

图5为配合机械大臂和机械小臂的钢丝绳连接关系示意图。

图6为本发明中手掌的主视结构示意图。

图7为本发明中手指的立体结构示意图。

图8为本发明中大拇指的立体结构示意图。

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示意图。

图中：1.固定支架，2.第一气动肌肉，3.旋转圆盘，4.第五气动肌肉，5.第二气动肌肉，6.肘关节，7.旋转支架，8.肩关节，9.机械大臂，10.第三气动肌肉，11.机械小臂，12.小臂圆盘架，13.腕关节，14.圆盘架，15.第四气动肌肉，16.手掌，18.手，19.导索架，20.肩关节滑轮，21.肘关节滑轮，22.右边滑轮、23.左边滑轮，25.小拇指，26.无名指，27.中指，28.食指，29.大拇指，30.手指撑板，31.手指轴，32.手指近滑轮，33.轴承，34.手指近指节，35.手指中滑轮，36.手指中指节，37.手指远滑轮，38.手指远指节，39.大拇指撑板，40.十字轴，41.大拇指近指节，42.大拇指中滑轮，43.大拇指轴，44.大拇指中指节，45.大拇指远滑轮，46.大拇指远指节，47.导向轮，48、49、50、61.钢丝绳，51.气源装置，52.气动三联件，53.比例压力阀，54.电磁阀，55.气动人工肌肉，56.数据采集卡，57.计算机，58.导向孔，63.滑套,65.小臂右盘，14-1、48-1、49-1、61-1.导丝孔。

具体实施方式

以下结合附图所示的实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，用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气动人工肌肉系统以及对气动人工肌肉系统进行控制的气路控制系统。

机械手机构中的结构如下：

带有旋转圆盘3的旋转支架7(通过轴承)可活动地竖直定位在固定支架1上；驱动旋转圆盘就可使旋转支架转动，从而带动整个机械手运动。

机械大臂9的一端通过肩关节8可绕水平轴线转动地定位在旋转支架7上(旋转支架7的转动轴线与机械大臂9的转动轴线垂直)；图1、图5中可见：机械大臂9的右端连接肩关节，肩关节又固定在旋转支架7上；在旋转支架可带动机械大臂乃致整个机械手360度地绕竖直轴线转动；机械大臂的左端连接着肘关节6。

机械小臂11通过肘关节6可活动地定位在机械大臂上(肘关节6的转动轴线与机械大臂9的转动轴线垂直)；图中可见：机械小臂11的右端定位在肘关节上，左端通过小臂圆盘架12的连接着腕关节13。

手18通过腕关节13可活动地定位在机械小臂上(图中可见：手右端的圆盘架14连接在腕关节)，所述腕关节中具有两个轴线相互垂直的转动轴，其中一个转动轴的轴线与肘关节平行。

手18中的手掌16通过第一支撑架A固定在连接着腕关节的圆盘架14上；包括大拇指、食指、中指、无名指和小拇指五个手指则可活动地并联定位在手掌上；

所述五个手指中的食指28、中指27、无名指26和小拇指25的结构类同(图6所示)，均由若干个指节分别通过手指轴31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7)：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34、手指中指节36以及手指远指节38(食指又与固定在手掌上的手指撑板30铰接)。

图7中还可见：手指撑板30的一端通过手指轴31与手指近指节34的一端铰接(其中手指撑板与手指轴之间夹装着轴承33，手指近指节的铰接端定位着手指近滑轮32，手指近滑轮的轴线与手指轴31的轴线同轴)。

手指近指节34的另一端通过手指轴31与手指中指节36的一端铰接(其中手指近指节与手指轴之间也夹装着轴承)，手指中指节的铰接端定位着手指中滑轮35，手指中滑轮的轴线与手指轴31的轴线同轴。

手指中指节36的另一端通过手指轴31与手指远指节38的一端铰接(其中手指中指节与手指轴之间也夹装着轴承)，手指远指节的铰接端定位着手指远滑轮37，手指远滑轮的轴线与手指轴31的轴线同轴。

所述五个手指中的大拇指29则由若干个指节(图6中显示：若干个指节依次为大拇指近指节41、大拇指中指节44以及大拇指远指节46)分别通过大拇指轴43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40可转动地定位在手掌上(定位在与手掌固定的大拇指撑板39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：大拇指撑板39的一端通过十字轴与大拇指近指节41的一端相连(其中大拇指撑板与十字轴之间夹装着轴承33，大拇指近指节的铰接端定位着大拇指中滑轮42)；

大拇指近指节41的另一端通过大拇指轴43与大拇指中指节44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定位着大拇指中滑轮42，大拇指中滑轮轴线与大拇指轴轴线同轴；

大拇指中指节44的另一端通过大拇指轴43与大拇指远指节46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定位着大拇指远滑轮45，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(图5中显示4根，对称布置在固定支架上)第二气动人工肌肉5的上端定位在固定支架1上，底端连接的钢丝绳50绕过导索架19上的滑套(滑套可转动地穿套在导索架的横杆上)，然后绕过旋转圆盘3(两根钢丝绳50，每根钢丝绳的两端绕过旋转圆盘以及绕过导索架后再连接到两根第二气动人工肌肉5的底端。4根第二气动人工肌肉对称布置且驱动两根钢丝绳50)，来驱动整个机械手实现360度转动。

若干(图中显示2根，对称布置)第一气动人工肌肉2的底端定位在旋转支架上(图中显示在旋转圆盘上)，顶端连接的钢丝绳49，经过旋转支架的导丝孔49-1再绕过肩关节滑轮20来驱动肩关节的转动。

若干(图中显示2根)第五气动人工肌肉4的底端也对称定位在旋转支架上(图中显示在旋转圆盘上)，第五气动人工肌肉顶端连接的钢丝绳48，依次经过导丝孔48-1、肩关节上的滑套63(滑套结构与导索架19的滑套结构类同)、肘关节外部的滑套63以及肘关节上的导丝孔后，再绕过肘关节滑轮21来驱动肘关节的转动，从而实现小臂的摆动；

若干(图5中显示4根)第三气动人工肌肉10的右端定位在小臂右盘65上，左端连接的两根钢丝绳61穿过小臂圆盘架12上的导丝孔后分别绕过腕关节13的两个滑轮，再各由两个第三气动人工肌肉10驱动，通过腕关节带动手实现旋转和抬伸运动(其中一根钢丝绳绕过腕关节外部的滑套63后驱动腕关节的右边滑轮22，使手掌进行垂直于肘关节轴线的转动；另一根钢丝绳则驱动腕关节的左边滑轮23，使手掌进行垂直于右边滑轮轴线的转动；从而实现手的多自由度运动；

若干(图1、图4中显示30根)第四人工肌肉15的右端固定在圆盘架14上，左端连接并分别施力一钢丝绳49以分别驱使所述的五个手指动作(每两根第四人工肌肉连接一根钢丝绳的两端，钢丝绳穿越过圆盘架导丝孔14-1、导向孔58后缠绕施力于一手指滑轮驱动一手指关节运动)。

图5显示了各关节中若干钢丝绳的连接关系：连接一个第二气动人工肌肉的钢丝绳50通过导索架19，绕过旋转圆盘滑槽，再与另一第二气动人工肌肉相连(两对第二气动人工肌肉以及相应的钢丝绳对称布置)，通过这两对人工肌肉配合动作(收缩与伸长)即可实现整个机械手360度转动。

同理，连接第一气动人工肌肉的钢丝绳49通过旋转支架7的导丝孔49-1后，再绕过肩关节滑轮来驱动肩关节转动；连接第五气动人工肌肉的钢丝绳48通过旋转支架7的导丝孔48-1后，再绕过肘关节滑轮来驱动肘关节转动；连接第三气动人工肌肉的两根钢丝绳61经过小臂圆盘架12的导丝孔后，再分别绕过腕关节中的左右两个滑轮来驱动腕关节转动。各钢丝绳通过两根气动人工肌肉之间配合动作(收缩与伸长)即可拉动对应的滑轮转动，进而实现各关节的人工模拟运动。

图4显示了小指中若干钢丝绳的连接关系(为图面清晰，仅画出小指中的若干钢丝绳)：每根钢丝绳均对应缠绕一滑轮以进行驱动；每根钢丝绳缠绕一滑轮后，两端依次穿越过各指节底端(图中为右侧)的导向孔58后再绕过手掌上的导向轮47，最后经过圆盘架上的导丝孔14-1与两根第四人工肌肉连接；显然，两根第四人工肌肉配合动作(一根第四人工肌肉收缩，另一个第四人工肌肉伸长)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4中的6根第四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51、气动三联件(空气过滤器、减压阀和油雾器)52、比例压力阀53、电磁阀54、数据采集卡56、计算机57。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57通过数据采集卡56来控制比例压力阀53和电磁阀54，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56，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51输出的气体与气动三联件52相通，接着连通比例压力阀53，再是电磁阀54，最后连通气动人工肌肉55，通过电磁阀54来控制相对应的气动人工肌肉55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，其中整个机械手的360度运动由两对气动人工肌肉驱动；肩关节、肘关节分别由一对气动人工肌肉驱动；腕关节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，整个机械手、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，从而调节整个机械手、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 (8)

1.一种360度多自由度气动机械手，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；其特征在于：

所述机械手机构包括通过可活动地定位在固定支架(1)上的旋转支架(7)、通过肩关节(8)可活动地定位在旋转支架上的机械大臂(9)、通过肘关节(6)可活动地定位在机械大臂上的机械小臂(11)、通过腕关节(13)可活动地定位在机械小臂上且带有手掌的手(18)以及可活动地并联定位在手掌上的五个手指；

所述人工气动肌肉系统包括通过钢丝绳驱动旋转支架的若干个第二气动人工肌肉(5)、通过钢丝绳驱动肩关节的若干个第一气动人工肌肉(2)、通过钢丝绳驱动肘关节的若干个第五气动人工肌肉(4)、通过钢丝绳驱动腕关节的若干个第三气动人工肌肉(10)以及通过钢丝绳驱动五个手指的若干个第四气动人工肌肉(15)；以使机械臂上可以实现多自由度的运动。

2.根据权利要求1所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述旋转支架的下端固定着旋转圆盘(3)，上端安装着带有滑轮的肩关节；所述机械大臂的一端连接在肩关节上；

所述第二气动人工肌肉的一端定位在固定支架上，另一端连接的钢丝绳(50)分别绕过导索架(19)以及旋转圆盘后再与另一第二气动人工肌肉的一端连接，以实现整个机械手绕竖直轴线的360度运动；

所述第一气动人工肌肉的一端固定在旋转支架上，另一端连接的钢丝绳(49)通过旋转支架上的导丝孔，绕过肩关节滑轮(20)后与另一第一气动人工肌肉的一端连接，以实现机械大臂绕肩关节滑轮轴线的转动。

3.根据权利要求1或2所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述机械大臂的另一端与肘关节相连；

所述第五气动人工肌肉一端固定在旋转支架上，另一端连接的钢丝绳(48)通过旋转支架上的导丝孔，绕过肘关节滑轮(21)后与另一第五气动人工肌肉的一端连接，以实现机械小臂绕肘关节滑轮轴线的转动。

4.根据权利要求3所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述机械小臂一端通过小臂右盘(65)与肘关节相连，另一端与腕关节相连；所述若干第三气动人工肌肉(10)的一端固定在小臂右盘上，另一端连接的钢丝绳分别绕过腕关节的两个滑轮(22、23)后再与另一第三气动人工肌肉的一端连接，以实现手的旋转和抬伸运动。

5.根据权利要求4所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述手通过第一支撑架(A)定位在连接腕关节的圆盘架(14)上；所述若干第四气动人工肌肉的一端固定在该圆盘架上，另一端均连接一驱动手指的钢丝绳。

6.根据权利要求5所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述五个手指中的小拇指(25)、无名指(26)、中指(27)、食指(28)，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。

7.根据权利要求6所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述五个手指中的大拇指(29)，由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(40)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。

8.根据权利要求7所述的360度多自由度气动机械手，其特征在于：所述指节的铰接端中，每个铰接端均定位一滑轮，每一滑轮上均缠绕一钢丝绳，该钢丝绳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两个第四人工肌肉连接；以实现手指的人工模拟运动。