CN108044613A - 柔性气动单元与多单元串联机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性气动单元，包含连接平台、气囊以及气动肌腱；多个所述连接平台包含第一连接平台与第二连接平台；气囊沿轴向方向的两端、气动肌腱沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台、第二连接平台相连；多个气动肌腱沿气囊周向方向布置；所述气囊轴向长度随气囊内部压力增大而增大，所述气动肌腱轴向长度随气动肌腱内部压力增大而减小。本发明还提供了一种由多个上述柔性气动单元串联连接形成的多单元串联机械臂。本发明中多单元串联机械臂由若干个柔性气动单元串联形成，能够实现刚度调控，实现多自由度、大范围运动。

Description

柔性气动单元与多单元串联机械臂

技术领域

本发明涉及柔性气驱动技术领域，具体地，涉及一种柔性气动单元与多单元串联机械臂。

背景技术

柔性连续体机械臂可以实现比刚性工业机器人更好的人机协同工作能力，更高的柔顺性。基于驱动方式的不同，柔性连续臂可分为气压驱动、绳线驱动、形状记忆合金驱动等等，气压驱动实现方式更加灵活，气压作用力大小可调，且气动技术目前比较成熟，是工业界目前比较重视的驱动方式。

气囊不仅可以作为驱动元件，还可以通过增压和排气用作可变气动弹簧元件。奥地利Ferrobotics公司结合气囊和力控制算法，设计了一种单自由度主动接触法兰，可实现平面柔性打磨、抛光。专利文献US9375840B2在此技术基础设计了一种多自由度主动接触法兰，该法兰由三个单自由度主动法兰组成，可控制两个方向的转动和轴向移动，实现多自由度接触力控制。但该装置采用三个法兰，装置半径较大，且利用弹簧被动复位，不能实现位姿与刚度同步控制。德国Festo公司设计了一种仿生象鼻气动机械臂，由多个三波纹管组成的关节串联组成，可以模仿象鼻运动，不足之处是刚度不够，建模困难，位姿控制不精确。美国Otherlab实验室设计了一种气动柔性手臂，采用充气手臂内置可膨胀弯曲单元，可实现气动臂刚度控制与位姿控制，同样存在建模困难，位姿控制不精确的问题。

气动肌腱是一种具有类似人类肌肉输出特性的气压－位移机械转换执行器，以Mckibben型气动肌腱应用最为广泛，气动肌腱输出力随压缩比和气压非线性变化。Gattringer设计了一种基于气动肌腱的Stewart并联平台，同样利用弹簧被动复位，不能实现平台位姿与刚度同步控制。专利文献CN105171737B设计了一种气动肌肉-钢丝混合驱动的连续臂，提高了气动肌肉在低气压条件下的刚度，提高了精度和响应速度，但增加了驱动器数目；香港中文大学徐扬生团队基于变刚度气动连杆和气动肌肉设计了一种气动仿人串联机械臂[R.Qi,A.Khajepour,W.W.Melek,T.L.Lam,and Y.Xu,“Design,kinematics,andcontrol of a multijoint soft inflatable arm for human-safe interaction,”IEEETransactions on Robotics,vol.33,no.3,pp.594-609,2017.]、专利文献CN103878764B设计了一种基于气动肌腱和气缸的三自由度并联平台，可以高精度控制平台位姿和刚度，但其采用的气缸只能直线移动，径向碰撞易导致推杆损坏，且没考虑力控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性气动单元与多单元串联机械臂。

根据本发明提供的柔性气动单元，包含连接平台、气囊以及气动肌腱；

多个所述连接平台包含第一连接平台与第二连接平台；

气囊沿轴向方向的两端、气动肌腱沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台、第二连接平台相连；多个气动肌腱沿气囊周向方向布置；

所述气囊轴向长度随气囊内部压力增大而增大，所述气动肌腱轴向长度随气动肌腱内部压力增大而减小。

优选地，所述气囊沿轴向的两端分别与第一连接平台、第二连接平台紧固连接；

气动肌腱沿轴向的两端分别与第一连接平台、第二连接平台通过球铰结构连接。

优选地，第一连接平台和/或第二连接平台包含凸台；

气囊沿轴向两端中的一端或全部两端连接所述凸台上。

优选地，所述球铰结构包含球铰支座与球部件；

所述球铰支座与气动肌腱紧固连接，所述球部件与连接平台紧固连接；

连接平台上设置有多个连接孔。

优选地，还包含控制器，所述控制器包含充放气控制模块：控制对气囊和/或气动肌腱进行充气或放气。

优选地，还包含传感器，所述传感器包含气压传感器和位移传感器：气压传感器对控气囊与气动肌腱进行气压测量；位移传感器对气囊与气动肌腱的位移进行测量。

本发明还提供了一种多单元串联机械臂，包含多个上述的柔性气动单元；

多个所述柔性气动单元通过连接平台串联连接。

根据上述的柔性气动单元，或者上述的多单元串联机械臂，还包含安装法兰盘与执行器；

一个以上柔性气动单元与安装法兰盘、执行器依次可拆卸连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中多单元串联机械臂由若干个柔性气动单元串联形成，能够实现刚度调控，实现多自由度、大范围运动。

2、每个柔性气动单元由气囊和三根气动肌腱混合驱动，通过对气动肌腱和气囊的内腔气压进行鲁棒控制，可实现柔性气动单元位姿的三自由度精准控制。

3、根据不同任务环境的需求，通过调节气囊的气压，可实现柔性气动单元刚度的可变控制，有效解决了气动肌腱驱动机器人刚度不够导致抗负载能力差的问题，以及传统工业机器人刚度过高导致的人机协同工作不安全的问题。

4、本发明可实现与操作表面的接触力控制，可用于柔性打磨抛光、柔性装夹支撑等。

5、本发明中每个柔性单元由三根气动肌腱和一个气囊组成，结构紧凑，高径比合理。

6、本发明结构十分轻巧，还可安装在xyz平台或机器人末端执行器上，获得更大的工作空间。

7、本发明相比伺服电机驱动的机械臂，成本十分低廉。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为柔性气动单元立体结构示意图；

图2为柔性气动单元俯视图；

图3为柔性气动单元C-C向半剖图；

图4为柔性气动单元气动肌腱充气压缩变形示意图；

图5为柔性气动单元气囊充气伸展变形示意图；

图6为柔性气动单元单根气动肌腱充气，连接平台发生倾斜变形时的结构示意图；

图7为本发明提供的刚度可控的柔性气驱动连续体机械臂；

图8为刚度可控的柔性气驱动连续体机械臂整体发生变形时的结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图6所示，本发明提供的柔性气动单元，包含连接平台、气囊2以及气动肌腱1，多个所述连接平台包含第一连接平台3与第二连接平台4，气囊2沿轴向方向的两端、气动肌腱1沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台3、第二连接平台4相连，多个气动肌腱1沿气囊2周向方向布置，所述气囊2轴向长度随气囊2内部压力增大而增大，所述气动肌腱1轴向长度随气动肌腱1内部压力增大而减小。实施例中共采用了三根气动肌腱1，并且在沿气囊2周向方向上均匀分布。所述气囊2沿轴向的两端分别与第一连接平台3、第二连接平台4紧固连接。气动肌腱1沿轴向的两端分别与第一连接平台3、第二连接平台4通过球铰结构6连接。优选例中，当气囊2的行程不够时，第一连接平台3和/或第二连接平台4上还可以设置有凸台5，气囊2沿轴向两端中的一端或全部两端连接所述凸台5上，对气囊2起到垫高的作用。优选例中，所述球铰结构6包含球铰支座与球部件，所述球铰支座与气动肌腱1紧固连接，所述球部件与连接平台紧固连接。另外，连接平台上设置有多个连接孔，通过连接孔，一方面可以实现多个柔性气动单元之间的连接，另一方面，也可以实现柔性气动单元在安装目标上的固定安装，所述连接孔既可以是螺纹孔，也可以是方便螺栓连接的光滑通孔。本发明提供的柔性气动单元还包含控制器，所述控制器包含充放气控制模块：控制对气囊2和/或气动肌腱1进行充气或放气。通过改变气囊气压调整柔性气动单元的承载刚度，通过改变气动肌腱、气囊的长度调整其位姿。通过对柔性气动单元的气囊2和/或气动肌腱1进行充气或放气，能够实现柔性气动单元在两个方向的转动自由度和一个上下移动自由度。实际应用中，还可以将柔性气动单元安装在xyz平台或工业机械臂末端法兰上，利用xyz平台或工业机器人可以大空间范围移动的特点，将柔性气动单元末端连接平台移动到任意位姿，进一步增大自由度。

优选实施方式：初始状态时，柔性气动单元的三根气动肌腱1为额定长度，在气囊2中施加一定气压，使得气囊2与气动肌腱1保持同样高度，不输出外力。增大气囊2气压时柔性气动单元整体有伸长趋势，此时连接平台可对外部结构施加推力，反之亦然，从而实现对外部结构的力控制。若在增大气囊2压力时，同步增加气动肌腱1的气压并使之与气囊2的推力相抵消，可维持柔性气动单元长度不变，此时柔性气动单元整体刚度变大；气囊2气压减小时，柔性气动单元有缩短趋势，若通过同步减小气动肌腱1气压可维持柔性气动单元长度不变，此时柔性气动单元整体刚度变小。

实际应用中对上述柔性气动单元位姿与刚度进行控制的过程，包含以下步骤：位姿确认步骤：根据安装高度与角度，设定气囊2顶面中心的高度与每根气动肌腱1的长度；气囊2参数计算步骤：设定气囊2刚度，再根据气囊2自身特性(气囊2的力-高度气压关系)，计算气囊2在设定高度与刚度值下的预期气压p_n、输出力以及输出力矩；气动肌腱1参数计算步骤：根据力平衡原理计算出每根气动肌腱1需要产生的拉力，再根据气动肌腱1自身特性(拉力-长度气压关系)，计算每根气动肌腱1在所需长度与拉力条件下的预期气压p_j；气压调节步骤：将气囊2内的气压大小调节至p_n，将每根气动肌腱1内的气压分别调节至对应的p_j，使得柔性气动单元到达预期位姿及轴向刚度。优选例中，还包含传感器，所述传感器包含气压传感器和位移传感器：气压传感器对控气囊2与气动肌腱1的内部进行气压测量；位移传感器对气囊2与气动肌腱1的位移进行测量。

如图7、图8所示，本发明还提供了一种多单元串联机械臂，所述多单元串联机械臂包含多个上述的柔性气动单元，多个柔性气动单元间通过连接平台首尾相联。所述多单元串联机械臂能够实现整体刚度调控，实现多自由度、大范围运动。实际应用过程中，多单元串联机械臂中的末端柔性气动单元对目标作用力的控制操作，包含以下步骤：预接触步骤：使末端柔性气动单元与目标表面进行预接触，即让末端柔性气动单元大致运动到与目标表面相接触的位置；接触力确认步骤：根据安装在末端柔性气动单元的力传感器获取末端柔性气动单元与目标表面之间的实际作用力；或者，直接根据力学理论计算结果获取末端柔性气动单元与目标表面之间的实际作用力；姿态微调步骤：对比实际作用力与设定的作用力，对位于末端柔性气动单元进行姿态微调，若实际作用力大于设定作用力，则降低气囊2的气压，使末端柔性气动单元对目标表面作用力减小；反之增加气囊2气压，使末端柔性气动单元对目标表面作用力增加。

在实际应用过程中，在上述的柔性气动单元，或者上述的多单元串联机械臂上还配置有安装法兰盘与执行器，一个以上柔性气动单元与安装法兰盘、执行器依次可拆卸连接。优选例中，多单元串联机械臂的最末端连接平台上设计有安装法兰盘，执行器通过螺纹连接安装在安装法兰盘上，执行器能够根据不同任务进行拆卸更换。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种柔性气动单元，其特征在于，包含连接平台、气囊(2)以及气动肌腱(1)；

多个所述连接平台包含第一连接平台(3)与第二连接平台(4)；

气囊(2)沿轴向方向的两端、气动肌腱(1)沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台(3)、第二连接平台(4)相连；多个气动肌腱(1)沿气囊(2)周向方向布置；

所述气囊(2)轴向长度随气囊(2)内部压力增大而增大，所述气动肌腱(1)轴向长度随气动肌腱(1)内部压力增大而减小。

2.根据权利要求1所述的柔性气动单元，其特征在于，所述气囊(2)沿轴向的两端分别与第一连接平台(3)、第二连接平台(4)紧固连接；

气动肌腱(1)沿轴向的两端分别与第一连接平台(3)、第二连接平台(4)通过球铰结构(6)连接。

3.根据权利要求2所述的柔性气动单元，其特征在于，第一连接平台(3)和/或第二连接平台(4)包含凸台(5)；

气囊(2)沿轴向两端中的一端或全部两端连接所述凸台(5)上。

4.根据权利要求2所述的柔性气动单元，其特征在于，所述球铰结构(6)包含球铰支座与球部件；

所述球铰支座与气动肌腱(1)紧固连接，所述球部件与连接平台紧固连接；

连接平台上设置有多个连接孔。

5.根据权利要求1所述的柔性气动单元，其特征在于，还包含控制器，所述控制器包含充放气控制模块：控制对气囊(2)和/或气动肌腱(1)进行充气或放气。

6.根据权利要求1所述的柔性气动单元，其特征在于，还包含传感器，所述传感器包含气压传感器和位移传感器：气压传感器对控气囊(2)与气动肌腱(1)进行气压测量；位移传感器对气囊(2)与气动肌腱(1)的位移进行测量。

7.一种多单元串联机械臂，其特征在于，包含多个权利要求1至6中任一项所述的柔性气动单元；

多个所述柔性气动单元通过连接平台串联连接。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的柔性气动单元，或者权利要求7所述的多单元串联机械臂，其特征在于，还包含安装法兰盘与执行器；

一个以上柔性气动单元与安装法兰盘、执行器依次可拆卸连接。