CN115847418A - 基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂及其控制方法，机械臂包括底座、软体臂、软体夹爪、超声波接收器和超声波发生器，底座与软体臂之间以及软体臂与软体夹爪之间均通过连接结构卡接，在软体臂上开设有多个前后方向的一号通腔和左右方向的二号通腔，在软体夹爪上开设有三号通腔，一号通腔、二号通腔和三号通腔的开口均呈六边形结构，且开口的两侧为六边形的顶点，本发明提出软体机械臂采用了六边形网状结构，在软体机械臂伸展开之后，六边形结构能够形成十分稳定的支撑结构，同时六边形结构由于有着四条斜边，在扁平状态和正六边形状态之间切换时，相比其他的形状有着更好的伸缩特性。

Description

基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂及其控制方法

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂及其控制方法。

背景技术

机械臂属于工业机器人的一种，主要用来进行货物的搬运、重物的取放、流水线上产品的组装与运送等，刚性机械臂按照驱动方式可以分为液压驱动、气压驱动、机械传动和电气传动等，而软体机械臂由于采用柔性材料，其驱动方式除液压和气动驱动外，还可以采用化学反应驱动、智能材料驱动、电活性聚合物驱动等，驱动方式多样，其中气动驱动由于气体获取方便、无污染、重量轻而被广泛使用，采用此驱动方式的机械臂拥有高度的灵活性和良好的柔韧性，且十分轻便，在强辐射、电磁、粉尘干扰等恶劣环境下仍可以正常动作。

除驱动方式外，软体机器人的结构对其动作及功能也有很大的影响，现阶段存在的诸多软体机械臂由于其自身结构的限制，能实现的动作和运动范围有限，且大多数软体机械臂都采用刚性元件进行连接，导致重量变大，灵活度变低。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂及其控制方法。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，包括底座、软体臂、软体夹爪、超声波接收器和超声波发生器，所述底座与软体臂之间以及软体臂与软体夹爪之间均通过连接结构卡接，在所述软体臂上开设有多个前后方向的一号通腔和左右方向的二号通腔，且一号通腔和二号通腔等间隔设置，所述软体夹爪的数量不少于三个，所述软体夹爪呈圆周排列分布设置在软体臂的上端面，在所述软体夹爪上开设有三号通腔，所述三号通腔的开设方向与软体夹爪和软体臂上端面中心连线的方向相同，所述一号通腔、二号通腔和三号通腔的开口均呈六边形结构，且开口的两侧为六边形的顶点，在所述一号通腔、二号通腔和三号通腔的两侧开口处均设置气袋，所述一号通腔、二号通腔和三号通腔内的气袋均通过带有电气比例阀和减压阀的管路与空气压缩机连接，所述电气比例阀的信号输出端与数据采集卡连接，所述电气比例阀的信号输入端与计算机连接，所述数据采集卡与计算机连接，所述超声波接收器有三个且分别安装在不同的软体夹爪上，与所述超声波接收器相对应的超声波发生器安装在取物台上，目标物紧邻超声波发生器放置在取物台上，所述超声波接收器与数据采集卡连接。

进一步，所述软体臂的横截面为正八边形形状。

再进一步，所述连接结构包括开设有T型槽的卡块，在所述T型槽内卡接有T型块。

更进一步，所述卡块与T型块还通过螺栓固定连接，以保证连接的稳定性。

更进一步，所述软体臂有三个，呈上下布置，相邻软体臂之间通过连接结构卡接，三个软体臂相连接使得软体机械臂的行程和角度大幅增加，从而在很大程度上扩大了软体机械臂的工作范围。

基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂的控制方法，夹取物体时，参考GPS定位的原理，根据三角定位法，以软体臂底座中心点作为空间直角坐标系原点，可以得到三个超声波接收器的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3，超声波发生器发出的超声波信号分别被三个超声波接收器收到，从而得到接收时间t_i,i＝1,2,3，根据距离公式s＝340*t，式中340m/s为声速，可以计算出超声波发生器到三个超声波接收器的距离s_i,i＝1,2,3，由空间中两点间的距离公式

可得到三个方程式，式中(x,y,z)为超声波发生器的坐标，同时也是目标物的位置坐标，联立方程可以解得超声波发生器的具体位置坐标，从而得到目标物的位置信息，具体为：启动超声波发生器和超声波接收器，数据采集卡接收到来自超声波接收器的脉冲信号，反馈到计算机中得到接收时间t，并计算得到距离s，通过方程组解得超声波发生器的位置坐标信息，即目标物的位置坐标信息，进而控制一号通腔和二号通腔内的气袋充气，实现软体臂的动作，当超声波接收器反馈回的信号为0时，表明软体夹爪已经运动到位，此时计算机控制相应的电气比例阀停止给一号通腔和二号通腔内的气袋供气，同时通过控制相应的电气比例阀给三号通腔内的气袋供气，实现目标物的夹取。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明提出软体机械臂采用了六边形网状结构，在软体机械臂伸展开之后，六边形结构能够形成十分稳定的支撑结构，同时六边形结构由于有着四条斜边，在扁平状态和正六边形状态之间切换时，相比其他的形状有着更好的伸缩特性，在一定程度上提高了软体机械臂的灵活度和动作范围。

本发明软体夹爪的三号通腔也采用相同的六边形结构，高度的灵活性使得软体夹爪根据物体的大小和位置来调整伸长量与夹持角度，以此来达到扩大或缩小夹取范围的目的。

本发明可通过超声波接收器反馈回的信号确定被夹取物体的位置坐标信息，使得软体臂能够精准地夹取到物体，当超声波接收器反馈回的信号为0时，计算机控制电气比例阀停止动作，气袋停止充气，从而形成闭环控制系统。

附图说明

图1为本发明无气袋的结构示意图；

图2为本发明软体臂安装气袋的结构示意图；

图3为本发明软体臂的结构示意图；

图4为本发明软体臂的正视图；

图5为本发明底座与T型块的连接示意图；

图6为本发明软体臂与连接结构的安装示意图；

图7为本发明软体夹爪的结构示意图；

图8为本发明的模块图；

图9为本发明的使用状态图；

图中，底座—1、软体臂—2、软体夹爪—3、连接结构—4、一号通腔—5、二号通腔—6、气袋—7、三号通腔—8、电气比例阀—9、减压阀—10、空气压缩机—11、数据采集卡—12、计算机—13、螺栓—14、开口—15、超声波接收器—16、超声波发生器—17、取物台—18、目标物—19、T型槽—401、卡块—402、T型块—403。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图8所示，一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，包括底座1、软体臂2、软体夹爪3、超声波接收器16和超声波发生器17，所述底座1与软体臂2之间以及软体臂2与软体夹爪3之间均通过连接结构4卡接，所述软体臂2的横截面为正八边形形状，所述软体臂2有三个，呈上下布置，相邻软体臂2之间通过连接结构4卡接，在所述软体臂2上开设有多个前后方向的一号通腔5和左右方向的二号通腔6，且一号通腔5和二号通腔6等间隔设置，所述软体夹爪3的数量不少于三个，所述软体夹爪3呈圆周排列分布设置在软体臂2的上端面，在所述软体夹爪3上开设有三号通腔8，所述三号通腔8的开设方向与软体夹爪3和软体臂2上端面中心连线的方向相同，所述一号通腔5、二号通腔6和三号通腔8的开口15均呈六边形结构，且开口15的两侧为六边形的顶点，在所述一号通腔5、二号通腔6和三号通腔8的两侧开口15处均设置气袋7，所述一号通腔5、二号通腔6和三号通腔8内的气袋7均通过带有电气比例阀9和减压阀10的管路与空气压缩机11连接，所述电气比例阀9的信号输出端与数据采集卡12连接，所述电气比例阀9的信号输入端与计算机13连接，所述数据采集卡12与计算机13连接，所述超声波接收器16有三个且分别安装在不同的软体夹爪3上，与所述超声波接收器16相对应的超声波发生器17安装在取物台18上，目标物19紧邻超声波发生器17放置在取物台18上，所述超声波接收器16与数据采集卡12连接；

所述连接结构4包括开设有T型槽401的卡块402，在所述T型槽401内卡接有T型块403，所述卡块402与T型块还通过螺栓14固定连接，以保证连接的稳定性。

基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂的控制方法，夹取物体时，参考GPS定位的原理，根据三角定位法，以软体臂底座中心点作为空间直角坐标系原点，可以得到三个超声波接收器16的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3，超声波发生器17发出的超声波信号分别被三个超声波接收器16收到，从而得到接收时间t_i,i＝1,2,3，根据距离公式s＝340*t，式中340m/s为声速，可以计算出超声波发生器17到三个超声波接收器16的距离s_i,i＝1,2,3，由空间中两点间的距离公式

可得到三个方程式，式中(x,y,z)为超声波发生器的坐标，同时也是目标物19的位置坐标，联立方程可以解得超声波发生器17的具体位置坐标，从而得到目标物19的位置信息，具体为：启动超声波发生器17和超声波接收器16，数据采集卡12接收到来自超声波接收器16的脉冲信号，反馈到计算机13中得到接收时间t，并计算得到距离s，通过方程组解得超声波发生器17的位置坐标信息，即目标物19的位置坐标信息，进而控制一号通腔5和二号通腔6内的气袋7充气，实现软体臂2的动作，当超声波接收器16反馈回的信号为0时，表明软体夹爪3已经运动到位，此时计算机13控制相应的电气比例阀9停止给一号通腔5和二号通腔6内的气袋供气，同时通过控制相应的电气比例阀9给三号通腔8内的气袋7供气，实现目标物19的夹取。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，其特征在于：包括底座(1)、软体臂(2)、软体夹爪(3)、超声波接收器(16)和超声波发生器(17)，所述底座(1)与软体臂(2)之间以及软体臂(2)与软体夹爪(3)之间均通过连接结构(4)卡接，在所述软体臂(2)上开设有多个前后方向的一号通腔(5)和左右方向的二号通腔(6)，且一号通腔(5)和二号通腔(6)等间隔设置，所述软体夹爪(3)的数量不少于三个，所述软体夹爪(3)呈圆周排列分布设置在软体臂(2)的上端面，在所述软体夹爪(3)上开设有三号通腔(8)，所述三号通腔(8)的开设方向与软体夹爪(3)和软体臂(2)上端面中心连线的方向相同，所述一号通腔(5)、二号通腔(6)和三号通腔(8)的开口(15)均呈六边形结构，且开口(15)的两侧为六边形的顶点，在所述一号通腔(5)、二号通腔(6)和三号通腔(8)的两侧开口(15)处均设置气袋(7)，所述一号通腔(5)、二号通腔(6)和三号通腔(8)内的气袋(7)均通过带有电气比例阀(9)和减压阀(10)的管路与空气压缩机(11)连接，所述电气比例阀(9)的信号输出端与数据采集卡(12)连接，所述电气比例阀(9)的信号输入端与计算机(13)连接，所述数据采集卡(12)与计算机(13)连接，所述超声波接收器(16)有三个且分别安装在不同的软体夹爪(3)上，与所述超声波接收器(16)相对应的超声波发生器(17)安装在取物台(18)上，目标物(19)紧邻超声波发生器(17)放置在取物台(18)上，所述超声波接收器(16)与数据采集卡(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，其特征在于：所述软体臂(2)的横截面为正八边形形状。

3.根据权利要求1所述的一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，其特征在于：所述连接结构(4)包括开设有T型槽(401)的卡块(402)，在所述T型槽(401)内卡接有T型块(403)。

4.根据权利要求3所述的一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，其特征在于：所述卡块(402)与T型块还通过螺栓(14)固定连接，以保证连接的稳定性。

5.根据权利要求3所述的一种基于六边形网状结构的仿生气动软体机械臂，其特征在于：所述软体臂(2)有三个，呈上下布置，相邻软体臂(2)之间通过连接结构(4)卡接。

6.基于权利要求1所述机械臂的控制方法，其特征在于：夹取物体时，参考GPS定位的原理，根据三角定位法，以软体臂底座中心点作为空间直角坐标系原点，可以得到三个超声波接收器(16)的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3，超声波发生器(17)发出的超声波信号分别被三个超声波接收器(16)收到，从而得到接收时间t_i,i＝1,2,3，根据距离公式s＝340*t，式中340m/s为声速，可以计算出超声波发生器(17)到三个超声波接收器(16)的距离s_i,i＝1,2,3，由空间中两点间的距离公式

可得到三个方程式，式中(x,y,z)为超声波发生器的坐标，同时也是目标物(19)的位置坐标，联立方程可以解得超声波发生器(17)的具体位置坐标，从而得到目标物(19)的位置信息，具体为：启动超声波发生器(17)和超声波接收器(16)，数据采集卡(12)接收到来自超声波接收器(16)的脉冲信号，反馈到计算机(13)中得到接收时间t，并计算得到距离s，通过方程组解得超声波发生器(17)的位置坐标信息，即目标物(19)的位置坐标信息，进而控制一号通腔(5)和二号通腔(6)内的气袋(7)充气，实现软体臂(2)的动作，当超声波接收器(16)反馈回的信号为0时，表明软体夹爪(3)已经运动到位，此时计算机(13)控制相应的电气比例阀(9)停止给一号通腔(5)和二号通腔(6)内的气袋供气，同时通过控制相应的电气比例阀(9)给三号通腔(8)内的气袋(7)供气，实现目标物(19)的夹取。

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