CN108068101A - 一种基于气动肌肉的六自由度并联系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于气动肌肉的六自由度并联系统，其包括电缸、气动肌肉、运动平台、压力传感器、位移传感器、角度传感器和控制器，电缸和气动肌肉的数量相等，且至少为3个，电缸的一端与外部固定装置固定连接，另一端与气动肌肉的一端可转动连接，气动肌肉的另一端与运动平台可转动连接，气动肌肉的进气口均安装气动阀和压力传感器，电缸上均安装位移传感器，运动平台上安装角度传感器，压力传感器、位移传感器和角度传感器均与控制器连接；通过控制器控制，实现电缸的往复直线运动和气动肌肉的伸缩，从而使运动平台在X、Y、Z三个方向转动和直线运动。本发明结构紧凑、柔顺、运动空间大，可用于零件搬运、振动性测试、多自由度运动器模拟。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于气动肌肉的六自由度并联系统。
背景技术
气动肌肉具有很高的功率/质量比、其位置控制仅受压力单个因素影响，以及较好的的柔顺性等优点。在搬运零件时，刚性的并联机械手搬运零件时，容易对零件造成擦伤、撞击等致命破坏，因此设计一种软体的机械手很有必要。并联机构具有精度高，机构位置反解容易实现等优点，因此可以设计一种并联的柔性软体机械手。中国专利200610053005.6提出一种中心支柱和周边气动肌肉具有三个转动自由度的并联运动平台，并且提出了采用鲁棒自适应的控制算法进行控制。为了增加系统的自由度，中国专利200910082464.0和201410140825.3提出了气动肌肉和气缸混联的并联平台，增加了系统在竖直方向移动的自由度。中国专利201510665545.9设计了基于气动肌肉的六自由度并联平台，但是以上并联平台的运动空间(直线运动和转动角度)都受到气动肌肉的收缩量的限制，不具有较大的工作空间。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明公开一种基于气动肌肉的六自由度并联系统，该系统结构紧凑，干净、运动空间大。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于气动肌肉的六自由度并联系统，其特征在于，该系统包括电缸、气动肌肉、运动平台13、压力传感器、位移传感器、角度传感器14和控制器33，所述的电缸和气动肌肉的数量相等，且至少为3个，所述的电缸的一端与外部固定装置固定连接，所述的电缸的另一端与所述的气动肌肉的一端可转动连接，所述的气动肌肉的另一端与所述的运动平台13可转动连接，所述的气动肌肉的进气口均安装所述的气动阀和压力传感器，所述的电缸上均安装所述的位移传感器，所述的运动平台13上安装所述的角度传感器14，所述的压力传感器、位移传感器和角度传感器14均与所述的控制器33连接；通过所述的控制器33控制，实现所述的电缸的往复直线运动和所述的气动肌肉的伸缩，从而使所述的运动平台13在X、Y、Z三个方向转动和直线运动。
进一步地，所述的气动阀为高速开关阀或比例压力阀。
进一步地，所述的电缸均匀布置在水平方向或竖直方向。
进一步地，所述的电缸和气动肌肉的数量为6个。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明利用多根气动肌肉驱动运动平台，可以同时实现关节多个方向的直线运动和转动；
2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；
3.本发明电缸与气动肌肉相结合，不但较好的解决了运动平台的直线位移量和转角受气动肌肉收缩量限制的影响、而且气动肌肉作为直接与末端执行元件相连的动力元件较好的消除了电缸的刚性，使得六自由度并联系统具有较大的工作空间的同时，还具有较好的柔顺性。
附图说明
图1是本发明的基于气动肌肉的六自由度并联系统的机械结构示意图；
图2是基于气动肌肉的新型六自由度并联系统机械结构简图；
图3是本发明的基于气动肌肉的六自由度并联系统的控制方框图；
图中，电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6、气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12、运动平台13、角度传感器14、压力传感器一15、气动阀一16、压力传感器二17、气动阀二18、压力传感器三19、气动阀三20、压力传感器四21、气动阀四22、压力传感器五23、气动阀五24、压力传感器六25、气动阀六26、位移传感器一27、位移传感器二28、位移传感器三29、位移传感器四30、位移传感器五31、位移传感器六32、控制器33。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2、3所示，一种基于气动肌肉的六自由度并联系统包括：电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6、气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12、运动平台13、角度传感器14、压力传感器一15、气动阀一16、压力传感器二17、气动阀二18、压力传感器三19、气动阀三20、压力传感器四21、气动阀四22、压力传感器五23、气动阀五24、压力传感器六25、气动阀六26、位移传感器一27、位移传感器二28、位移传感器三29、位移传感器四30、位移传感器五31、位移传感器六32、控制器33，其中，电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6均固定在外部的固定装置上，气动肌肉六12、气动肌肉五11、气动肌肉四10、气动肌肉三9、气动肌肉一7、气动肌肉二8一端分别与电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6可转动连接，另一端均与运动平台13可转动连接；气动肌肉一7的进气口安装压力传感器一15、气动阀一16，气动肌肉二8的进气口安装压力传感器二17、气动阀二18，气动肌肉三9的进气口安装压力传感器三19、气动阀三20，气动肌肉四10的进气口安装压力传感器四21、气动阀四22，气动肌肉五11的进气口安装压力传感器五23、气动阀五24，气动肌肉六12的进气口安装压力传感器六25、气动阀六26，电缸一1上安装位移传感器一27，电缸二2上安装位移传感器二28，电缸三3上安装位移传感器三29，电缸四4上安装位移传感器四30，电缸五5上安装位移传感器五31，电缸六6上安装位移传感器六32，运动平台13上安装角度传感器14，角度传感器14、压力传感器一15、压力传感器二17、压力传感器三19、压力传感器四21、压力传感器五23、压力传感器六25、位移传感器一27、位移传感器二28、位移传感器三29、位移传感器四30、位移传感器五31、位移传感器六32均与控制器33相连。
在控制器33中编写基于气动肌肉的六自由度并联系统的运动学、动力学、控制算法，控制器33可以采用VB、VS、MATLAB等编程语言开发，控制器33的前6路分别输出控制气动阀一16、气动阀二18、气动阀三20、气动阀四22、气动阀五24、气动阀六26，分别近一步控制气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12的气压，实现其伸缩，气动阀可以为开关阀或者比例压力阀，气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12进气口连接的压力传感器一15、压力传感器二17、压力传感器三19、压力传感器四21、压力传感器五23、压力传感器六25分别实时测量气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12的气压，控制气动阀是给气动肌肉充气还是放气。控制器33的后6路分别输出控制电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6的往复直线运动，并行安装的位移传感器一27、位移传感器二28、位移传感器三29、位移传感器四30、位移传感器五31、位移传感器六32分别实时测量其位移量反馈给控制器33。气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12的伸缩和电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6的往复直线运动叠加表现为运动平台13在X、Y、Z三个方向的转动和直线运动。
初始位置时，取电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6的中心点为固定坐标系原点，则气动肌肉与电缸连接的固定端的坐标为
Ai＝(rAicosθi rAisinθi rZi)T
其中:rAi为以电缸中心点为圆心所画圆的半径，θi为电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6气动肌肉固定点与X轴正方向的夹角。
假设在初始位置时，运动平台13的中心点在电缸中心点的正下方则，运动平台相对于电缸中心点的坐标为
在运动平台13中G、H、I、J、K、L相对于其中心点的坐标为
则运动平台13的中心点在以电缸中心点的坐标系中的坐标为
则各气动肌肉的长度为
lij＝((xAi-xBj)2+(yAi-yBj)2+(zAi-zBj)2)12
其中:xAi、yAi、zAi分别为电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6的气动肌肉固定点在以电缸中心点为坐标原点坐标系的坐标、xBj、yBj、zBj分别为运动平台13中气动肌肉固定点在以电缸中心点为坐标原点坐标系的坐标。
对上式求导得
其中:为各肌肉长度的变化，包括自身气压变化引起的伸缩以及连接电缸移动引起的长度变化，为运动平台13绕X、Y、Z三个坐标轴转动的角度、为运动平台13在X、Y、Z三个方向上的位移量。
电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6即可水平方向均与放置，也可以竖直均匀放置，其计算方法过程与上述类似。
当运动平台13转动和直线运动范围较小时，主要控制气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12的伸缩，角度传感器14安装在运动平台13上实时采集姿态，与压力传感器一15、压力传感器二17、压力传感器三19、压力传感器四21、压力传感器五23、压力传感器六25采集的气压信号及系统结构矩阵、运动学反解，通过气动阀一16、气动阀二18、气动阀三20、气动阀四22、气动阀五24、气动阀六26分别控制气动肌肉一7、气动肌肉二8、气动肌肉三9、气动肌肉四10、气动肌肉五11、气动肌肉六12的气压。当运动平台13转动和直线运动范围较大时，主要依靠电缸一1、电缸二2、电缸三3、电缸四4、电缸五5、电缸六6的往复直线运动对运动平台13转动和直线运动的影响。
本发明，通过控制各电缸和气动肌肉，实现六自由度并联系统位姿的控制，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉并联系统无法比拟的优势。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于气动肌肉的六自由度并联系统，其特征在于，该系统包括电缸、气动肌肉、运动平台(13)、压力传感器、位移传感器、角度传感器(14)和控制器(33)，所述的电缸和气动肌肉的数量相等，且至少为3个，所述的电缸的一端与外部固定装置固定连接，所述的电缸的另一端与所述的气动肌肉的一端可转动连接，所述的气动肌肉的另一端与所述的运动平台(13)可转动连接，所述的气动肌肉的进气口均安装所述的气动阀和压力传感器，所述的电缸上均安装所述的位移传感器，所述的运动平台(13)上安装所述的角度传感器(14)，所述的压力传感器、位移传感器和角度传感器(14)均与所述的控制器(33)连接；通过所述的控制器(33)控制，实现所述的电缸的往复直线运动和所述的气动肌肉的伸缩，从而使所述的运动平台(13)在X、Y、Z三个方向转动和直线运动。
2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的六自由度并联系统，其特征在于，所述的气动阀为高速开关阀或比例压力阀。
3.根据权利要求1或2所述的基于气动肌肉的六自由度并联系统，其特征在于，所述的电缸均匀布置在水平方向或竖直方向。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于气动肌肉的六自由度并联系统，其特征在于，所述的电缸和气动肌肉的数量为6个。
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