CN101564841A - 一种基于气动人工肌肉的柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动人工肌肉的柔性机械手。它包括机械手机构和气路控制系统，机械手机构包括机械手固定平台、肘关节、机械手下臂、机械手上臂、腕关节；气路控制系统包括气源装置、气动三联件、减压阀、比例压力阀、电磁阀、气动人工肌肉、数据采集卡、计算机。本发明根据人体手臂结构和气动人工肌肉的工作特点，研发了气动肌肉机械手。利用气动人工肌肉柔顺性的优点解决现代机器人的一些缺点，研制了拟人机械手机构和相应的控制气路系统，气动人工肌肉作为驱动器，拓宽了机械手的研究领域。本气动肌肉机械手系统具有新颖、柔顺、机构简单、易控制等优点，可满足在仿生机器人和康复机器人等领域对机械手性能的要求。

Description

一种基于气动人工肌肉的柔性机械手

技术领域

本发明涉及机器人，尤其涉及一种基于气动人工肌肉的柔性机械手。

背景技术

在各种类型的机器人中，模拟人体手臂构成的关节型机器人，具有结构简单、占空间小、相对空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。处于控制方便的需要，对机器人手臂的刚度需求很高，因此这类机器人都具有基座粗大、腰身坚固、结构刚强等特征，使接近的人感到危险。同时，与工作对象相比，机器人的重量也过大。随着机器人技术的不断发展，人们不仅希望机器人具有精度高、响应快、承载能力大等特点，而且能表现出良好的柔顺性，尤其是在仿生机器人和康复机器人领域，人们对其手臂柔顺安全性的要求远远大于对其位置精度和承载力的要求。

现有的机器人驱动装置存在一些缺点，例如：由于使用的机构数目众多，造成传动过程中克服机构之间的摩擦而消耗大量能量，使输出端的能量与输入端产生的能量相比下降很多；驱动装置结构复杂，外部体积很大，影响使用的灵活性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于气动人工肌肉的柔性机械手。

气动人工肌肉是一种新型的驱动器，具有外形柔顺、体积小、结构简单等优点。首先，气动人工肌肉可直接安装在机械手内部，由气动人工肌肉驱动的机器人手臂外形都比较纤细，而且较其它方式驱动的机器人手臂刚度低，因此，此类机械手兼具有安全性和柔顺性。其次，气动人工肌肉动作平滑和响应快，其运动更接近于自然的生物运动，因此可以直接驱动。

基于气动人工肌肉的柔性机械手包括机械手机构和气路控制系统，机械手机构包括肘关节、机械手固定平台、机械手下臂、机械手上臂、腕关节，机械手固定平台上端与机械手上臂的一端相连接，机械手上臂的另一端经肘关节与机械手下臂的一端相连接，机械手下臂的另一端设有腕关节，机械手下臂和机械手上臂分别设有第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉；气路控制系统包括气源装置、气动三联件、减压阀、比例压力阀、电磁阀、第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉、数据采集卡、计算机，计算机通过数据采集卡控制比例压力阀和电磁阀，气源装置通过气动三联件与减压阀相连，减压阀与比例压力阀相连，比例压力阀与电磁阀相连，电磁阀控制第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉进放气。

本发明旨在结合气动人工肌肉解决现代机器人的一些缺点。充分利用气动人工肌肉的柔顺性，研制了新颖的拟人机械手机构，研发了相应的控制系统和气路系统，拓宽了机械手的研究领域，适应特种行业中对机器人柔性关节的需求。

本发明采用简单、新颖的并联机构和柔顺的气动人工肌肉作为驱动器，同时结合了简单完善的气路系统和控制系统。因此，该气动肌肉机械手系统具有新颖、柔顺、机构简单、易控制等优点，可满足在仿生机器人和康复机器人等领域对机械手性能的要求。

本机械手的肘关节和腕关节分别由四根气动人工肌肉驱动，关节由并联机构组成，该关节机构具有外形柔顺、体积小、结构简单等特点，如图1、图2中的6、7、8、9四根气动人工肌肉驱动一个关节。其中，气动人工肌肉6和7共享一支气路，8和9四根气动人工肌肉共享一支气路。当这两支气路充入不同压力的压缩空气时，气动人工肌肉6、7和气动人工肌肉8、9输出不同的位移，使得关节发生相应的转动。因此，通过控制气路的压力来实现机械手的腕关节和肘关节的转动角度和转动方向，从而使得末端执行机构达到所要求的空间位置。

附图说明

图1为基于气动人工肌肉的柔性机械手控制气路系统示意图；

图2为基于气动人工肌肉的柔性机械手机构示意图；

图3为基于气动人工肌肉的柔性机械手控制流程图；

图中：气源装置1、气动三联件2、减压阀3、比例压力阀4、电磁阀5、第一气动人工肌肉6、第二气动人工肌肉7、第三气动人工肌肉8、第四气动人工肌肉9、数据采集卡10、计算机11、肘关节12、机械手固定平台13、机械手下臂14、机械手上臂15、腕关节16。

具体实施方式

如图1、2所示，基于气动人工肌肉的柔性机械手包括机械手机构和气路控制系统，机械手机构包括肘关节12、机械手固定平台13、机械手下臂14、机械手上臂15、腕关节16，机械手固定平台13上端与机械手上臂15的一端相连接，机械手上臂15的另一端经肘关节12与机械手下臂14的一端相连接，机械手下臂14的另一端设有腕关节16，机械手下臂14和机械手上臂15分别设有第一气动人工肌肉6、第二气动人工肌肉7、第三气动人工肌肉8、第四气动人工肌肉9；气路控制系统包括气源装置1、气动三联件2、减压阀3、比例压力阀4、电磁阀5、第一气动人工肌肉6、第二气动人工肌肉7、第三气动人工肌肉8、第四气动人工肌肉9、数据采集卡10、计算机11，计算机9通过数据采集卡8控制比例压力阀4和电磁阀5，气源装置1通过气动三联件2与减压阀3相连，减压阀3与比例压力阀4相连，比例压力阀4与电磁阀5相连，电磁阀5控制第一气动人工肌肉6、第二气动人工肌肉7、第三气动人工肌肉8、第四气动人工肌肉9进放气。

如图3所示，在C++Builder编辑的控制界面上输入气动肌肉机械手的操作命令，通过数据采集卡D/A口和I/O口分别调节压力比例阀和电磁阀，从而控制气路系统的各支路，通过压力传感器检测压力状况，由位移传感器检测气动人工肌肉的输出位移，同时利用角度传感器检测气动肌肉机械手关节的转动角度，各传感器把检测到的模拟信号通过数据采集卡的A/D转换后输入到控制界面。

遥控器与计算机之间的串口通讯，可实现遥控器对数据采集卡的控制，从而实现遥控器对气动肌肉机械手的控制。

本发明的工作过程如下：

1)打开气源装置，气体通过气动三联件和减压阀，到达压力比例阀。

2)利用C++Builder软件编辑控制界面，通过USB建立与数据采集卡通信，控制数据采集卡的D/A口的输出电压。

3)由数据采集卡的D/A口的输出电压值控制压力比例阀调节气路中各个气动人工肌肉的压力。同理，根据数据采集卡的D/A口控制电磁阀调节气路的开启和关闭。

4)根据机械手执行机构的空间位置要求，腕关节16和肘关节12分别由四根气动人工肌肉驱动的并联机构组成，当四根人工肌肉中充入不同压力的压缩空气时，腕关节和肘关节会产生相应的转动。

5)通过控制系统调节腕关节和肘关节，使得机械手的执行机构达到所要求的空间位置。

Claims (1)

1.一种基于气动人工肌肉的柔性机械手，其特征在于包括机械手机构和气路控制系统，机械手机构包括肘关节(12)、机械手固定平台(13)、机械手下臂(14)、机械手上臂(15)、腕关节(16)，机械手固定平台(13)上端与机械手上臂(15)的一端相连接，机械手上臂(15)的另一端经肘关节(12)与机械手下臂(14)的一端相连接，机械手下臂(14)的另一端设有腕关节(16)，机械手下臂(14)和机械手上臂(15)分别设有第一气动人工肌肉(6)、第二气动人工肌肉(7)、第三气动人工肌肉(8)、第四气动人工肌肉(9)；气路控制系统包括气源装置(1)、气动三联件(2)、减压阀(3)、比例压力阀(4)、电磁阀(5)、第一气动人工肌肉(6)、第二气动人工肌肉(7)、第三气动人工肌肉(8)、第四气动人工肌肉(9)、数据采集卡(10)、计算机(11)，计算机(9)通过数据采集卡(8)控制比例压力阀(4)和电磁阀(5)，气源装置(1)通过气动三联件(2)与减压阀(3)相连，减压阀(3)与比例压力阀(4)相连，比例压力阀(4)与电磁阀(5)相连，电磁阀(5)控制第一气动人工肌肉(6)、第二气动人工肌肉(7)、第三气动人工肌肉(8)、第四气动人工肌肉(9)进放气。

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