CN104875202B - 一种万向型气动柔性机器人装置 - Google Patents
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Abstract
一种万向型气动柔性机器人装置，主要包括基座、柔性臂机构和夹持型机械手，在该基座的上部固定连接下连接盘，在下连接盘上设有柔性臂机构，在柔性臂C的上连接盘C的上端固定连接夹持型机械手。本发明可实现三维空间内任意角度的运动，可在狭小弯曲的空间内完成复杂动作要求，可承受较大的切向载荷，可实现6个自由度的独立控制，具有清洁度高，安全性高，柔性好，适应环境能力强的特点。
Description
技术领域 本发明属于机器人技术领域，涉及一种气体柔性机器人装置。
背景技术 当今工业用机器人如焊接、搬运机器人等主要是仿人手臂设计，由旋转底座、三个单自由度关节和腕部关节组合在一起，再配合专用的末端执行器来完成程序预定的作业。驱动方式上主要有液压驱动、电机驱动及气动驱动。液压驱动具有较大的功率体积比，负载大，安全性较高。电机驱动控制灵活，适合中等负载，控制轨迹较复杂的机器人，同时较为清洁，噪声小。气动驱动具有干净清洁，结构简单，柔性较好，防火防爆防潮，适应环境能力强，成本低，维护方便等优势，适用于食品、药品等要求清洁度高的行业。Walker等人研制的机器人Air-Octor采用气动结构作为支撑，由3根绳索及气动支撑结构的内部气压控制其弯曲及伸长运动，结构比较轻巧但负载能力较小。德国Festo公司模仿大象鼻子研制了一种仿象鼻柔性机械臂，可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩。它们的不足之处：(1)液压驱动具有清洁度较低，结构复杂，价格昂贵，不易维护，很难实现三维空间任意角度的偏转，难以满足狭小弯曲空间的工作要求；(2)电机驱动柔性不好，不适用于电子等有电磁环境产生相互影响的行业；(3)普通的气动驱动不能克服气缸驱动负载低，可靠性差，机器臂不能承受较大的切向载荷等问题。
发明内容 本发明的目的是提供一种具有清洁度高，安全性高，柔性好，适应环境能力强，可实现三维空间内任意角度的运动，可在狭小弯曲的空间内完成复杂动作要求，可使机器臂承受较大的切向载荷，结构设计更加简单的万向型气动柔性机器人装置。
本发明主要包括：基座、柔性臂机构和夹持型机械手。其中，基座内部设有若干电气比例阀，在该基座的上部固定连接下连接盘，在下连接盘上设有柔性臂机构，该柔性臂机构从下至上由三个柔性臂组成，分别为柔性臂A、柔性臂B和柔性臂C，柔性臂A、柔性臂B和柔性臂C的结构相同。每个柔性臂主要由上连接盘、第一旋转角度传感器、第二旋转角度传感器、倒L型短骨架、L型长骨架、气动人工肌肉、轴承A、轴承B和十字胡克铰组成。在下连接盘的上部，通过螺栓活动连接两组成对的气动人工肌肉，气动人工肌肉的内层为弹性橡胶管，在弹性橡胶管的外部套接外层编织网，在气动人工肌肉的上下两端均设有连接件，下端连接件设有进气口，进气口处连接气动软管的一端，气动软管的另一端与一个电气比例阀相连。两组气动人工肌肉下端的连接件活动连接在下连接盘的上部，两组气动人工肌肉上端的连接件活动连接在上连接盘A的下部。在下连接盘的上部通过螺栓活动连接两个相同且对称的L型长骨架，在L型长骨架的上部设有通孔，在该通孔内部设有轴承A。在上连接盘A的下部通过螺栓活动连接两个相同且对称的倒L型短骨架，在倒L型短骨架的下部设有通孔，在该通孔内部设有轴承B。十字虎克铰的两组相互垂直的支撑臂，一组支撑臂穿过L型长骨架通孔内部的轴承A，另一组支撑臂穿过倒L型短骨架通孔内部的轴承B，且两组支撑臂的自由端均延伸到通孔的外部。在一组支撑臂的自由端设有第二旋转角度传感器，在另一组支撑臂的自由端设有第一旋转角度传感器。柔性臂B固定在柔性臂A的上连接盘A的上部，柔性臂C固定在柔性臂B的上连接盘B的上部。在柔性臂C的上连接盘C的上端固定连接夹持型机械手。夹持型机械手主要包括机械手外部支架、薄型气缸、中心架、水平板、支板、连杆、十字推架和手指。夹持型机械手的机械手外部支架置于柔性臂C的上连接盘的上端，机械手外部支架为上开口的锥台形壳体，在机械手外部支架的内部设有薄型气缸，薄型气缸的上部螺栓连接中心架，中心架由四个支架组成，每个支架包括水平板和两个支板，在水平板的两侧面分别设有与其垂直的支板，相邻的支架之间的夹角为90度，相连两支架的相邻支板相连，形成一个十字槽。置于薄型气缸内部的活塞杆上端固定连接十字推架，十字推架呈十字形，置于中心架十字槽的内部。在每个水平推架的自由端通过连杆铰接手指的下端，每个手指的中部与中心架的每组支板铰接。
本发明在使用时，电气比例阀通过气动软管控制的气动人工肌肉做对拉动作，控制左端气动人工肌肉进气膨胀使两端缩短，同时右端气动人工肌肉排气松弛使两端伸长，这样一对气动人工肌肉带动上连接盘向左下方发生偏转。同时，位于胡克铰十字轴两端的两个旋转角度传感器测量出相应的角度，将角度信号反馈给数据采集器，通过控制系统处理后将指令信号传送给电气比例阀，实现系统的伺服控制。薄型气缸的活塞杆带动十字推架，使十字推架在中心架中能顺畅往复滑动；十字推架的往复滑动带动四根手指的夹紧和放松动作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于采用气动技术作为驱动，具有清洁度高，结构简单，价格低廉，易维护，适应环境能力强等特点；
2.本发明采用气动人工肌肉作为控制机器臂弯曲的驱动元件，柔性好，安全性高；
3.本发明共有6个自由度，可实现三维空间内任意角度的运动，可完成一系列复杂的动作，可在狭小弯曲的空间内工作；
4.本发明6个自由度可实现独立控制，有效避免了机器臂控制中的耦合问题。
5.本发明的中心支撑骨架可使机器臂承受较大的切向载荷；
6.本发明中介绍的夹持型机械手结构设计较同类产品更加简单，且采用气缸杆伸出时手指做夹紧动作，使得输出力更大。
附图说明
图1是本发明提供的一种万向型气动柔性机器人装置的整体立体视图；
图2是图1所示实例中机器人柔性臂的立体视图；
图3是图1所示实例中机器人柔性臂A和基座内部视图；
图4是本发明机器人装置侧向弯曲动作立体图；
图5是本发明所述中夹持型机械手立体图；
图6是本发明所述中夹持型机械手的俯视图；
图7是本发明所述中夹持型机械手的图6中的剖视图。
图1-7中，1-基座，2-电气比例阀，3-下连接盘，4-柔性臂A，5-柔性臂B，6-柔性臂C，7-上连接盘，8-第一旋转角度传感器，9-第二旋转角度传感器，10-倒L型短骨架，11-L型长骨架，12-气动人工肌肉，13-轴承A，14-轴承B，15-十字胡克铰，16-连接件，17-进气口，18-气动软管，19-上连接盘B，20-上连接盘C，21-夹持型机械手，22-机械手外部支架，23-薄型气缸，24-中心架，25-水平板，26-支板，27-连杆，28-十字推架，29-手指，30-活塞杆。
具体实施方式 在图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示的万向型气动柔性机器人装置示意简图中，基座1内部设有电气比例阀2，在该基座的上部固定连接下连接盘3，在下连接盘上设有柔性臂机构，该柔性臂机构从下至上由三个柔性臂组成，分别为柔性臂A4、柔性臂B5和柔性臂C6，柔性臂A、柔性臂B和柔性臂C的结构相同。每个柔性臂主要由上连接盘7、第一旋转角度传感器8、第二旋转角度传感器9、倒L型短骨架10、L型长骨架11、气动人工肌肉12、轴承A13、轴承B14和十字胡克铰15组成。在下连接盘的上部，通过螺栓活动连接两组成对的气动人工肌肉，气动人工肌肉的内层为弹性橡胶管，在弹性橡胶管的外部套接外层编织网，在气动人工肌肉的上下两端均设有连接件16，上端连接件设有进气口17，进气口处连接气动软管18的一端，气动软管的另一端与一个电气比例阀相连。两组气动人工肌肉下端的连接件活动连接在下连接盘的上部，两组气动人工肌肉上端的连接件活动连接在上连接盘A7的下部。在下连接盘的上部通过螺栓活动连接两个相同且对称的L型长骨架，在L型长骨架的上部设有通孔，在该通孔内部设有轴承A。在上连接盘A的下部通过螺栓活动连接两个相同且对称的倒L型短骨架，在倒L型短骨架的下部设有通孔，在该通孔内部设有轴承B。十字虎克铰的两组相互垂直的支撑臂，一组支撑臂穿过L型长骨架通孔内部的轴承A，另一组支撑臂穿过倒L型短骨架通孔内部的轴承B，且两组支撑臂的自由端均延伸到通孔的外部。在一组支撑臂的自由端设有第二旋转角度传感器，在另一组支撑臂的自由端设有第一旋转角度传感器。柔性臂B固定在柔性臂A的上连接盘A的上部，柔性臂C固定在柔性臂B的上连接盘B19的上部。在柔性臂C的上连接盘C20的上端固定连接夹持型机械手21。夹持型机械手主要包括机械手外部支架22、薄型气缸23、中心架24、水平板25、支板26、连杆27、十字推架28和手指29。夹持型机械手的机械手外部支架置于柔性臂C的上连接盘C的上端，机械手外部支架为上开口的锥台形壳体，在机械手外部支架的内部设有薄型气缸，薄型气缸的上部螺栓连接中心架，中心架由四个支架组成，每个支架包括水平板和两个支板，在水平板的两侧面分别设有与其垂直的支板，相邻的支架之间的夹角为90度，相连两支架的相邻支板相连，形成一个十字槽。置于薄型气缸内部的活塞杆30上端固定连接十字推架，十字推架呈十字形，置于中心架十字槽的内部。在每个水平推架的自由端通过连杆铰接手指的下端，每个手指的中部与中心架的每组支板铰接。
Claims (1)
1.一种万向型气动柔性机器人装置，包括基座、柔性臂机构和夹持型机械手，在该基座的上部固定连接下连接盘，在下连接盘上设有柔性臂机构，在柔性臂C的上连接盘C的上端固定连接夹持型机械手，基座内部设有电气比例阀，其特征在于：该柔性臂机构从下至上由三个柔性臂组成，分别为柔性臂A、柔性臂B和柔性臂C，柔性臂A、柔性臂B和柔性臂C的结构相同，每个柔性臂由上连接盘、第一旋转角度传感器、第二旋转角度传感器、倒L型短骨架、L型长骨架、气动人工肌肉、轴承A、轴承B和十字胡克铰组成，在下连接盘的上部，通过螺栓活动连接两组成对的气动人工肌肉，气动人工肌肉的内层为弹性橡胶管，在弹性橡胶管的外部套接外层编织网，在气动人工肌肉的上下两端均设有连接件，下端连接件设有进气口，进气口处连接气动软管的一端，气动软管的另一端与一个电气比例阀相连，两组气动人工肌肉下端的连接件活动连接在下连接盘的上部，两组气动人工肌肉上端的连接件活动连接在上连接盘A的下部，在下连接盘的上部通过螺栓活动连接两个相同且对称的L型长骨架，在L型长骨架的上部设有通孔，在该通孔内部设有轴承A，在上连接盘A的下部通过螺栓活动连接两个相同且对称的倒L型短骨架，在倒L型短骨架的下部设有通孔，在该通孔内部设有轴承B，十字虎克铰的两组相互垂直的支撑臂，一组支撑臂穿过L型长骨架通孔内部的轴承A，另一组支撑臂穿过倒L型短骨架通孔内部的轴承B，且两组支撑臂的自由端均延伸到通孔的外部，在一组支撑臂的自由端设有第二旋转角度传感器，在另一组支撑臂的自由端设有第一旋转角度传感器，柔性臂B固定在柔性臂A的上连接盘A的上部，柔性臂C固定在柔性臂B的上连接盘B的上部，夹持型机械手包括机械手外部支架、薄型气缸、中心架、水平板、支板、连杆、十字推架和手指，夹持型机械手的机械手外部支架置于柔性臂C的上连接盘的上端，机械手外部支架为上开口的锥台形壳体，在机械手外部支架的内部设有薄型气缸，薄型气缸的上部螺栓连接中心架，中心架由四个支架组成，每个支架包括水平板和两个支板，在水平板的两侧面分别设有与其垂直的支板，相邻的支架之间的夹角为90度，相连两支架的相邻支板相连，形成一个十字槽，置于薄型气缸内部的活塞杆上端固定连接十字推架，十字推架呈十字形，置于中心架十字槽的内部，在每个水平推架的自由端通过连杆铰接手指的下端，每个手指的中部与中心架的每组支板铰接。
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