專利名稱：基于氣動肌肉的六自由度柔性機(jī)械手臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種基于氣動肌肉的六自由度柔性機(jī)械手臂。
背景技術(shù)：
隨著仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的不斷發(fā)展，對于仿人機(jī)械手臂的研究也在不斷深化。仿 人機(jī)械手手臂靈活可靠的優(yōu)點(diǎn)，使其在在醫(yī)療、服務(wù)等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的 機(jī)械手臂中，模擬人體手構(gòu)成和運(yùn)動方式的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，具有結(jié)構(gòu)簡單、空間體積小、 運(yùn)動空間大等優(yōu)點(diǎn)，是研究最為廣泛的機(jī)械手臂。國內(nèi)外對此類機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī) 模的研究和設(shè)計(jì)。但是此類機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)數(shù)目眾多，能量損耗大，驅(qū)動裝置復(fù)雜，使用不靈 活。在某些特殊場合，機(jī)械手臂不僅要具有精度高、反應(yīng)快等特點(diǎn)，而且在抓取操作時還要 具有良好的柔順性。因此，人們不僅希望機(jī)械手臂具有精度高、響應(yīng)快、承載能力大等特點(diǎn)， 而且希望能表現(xiàn)出良好的柔順性，尤其是在仿生和康復(fù)領(lǐng)域，人們對機(jī)械手臂柔順安全性 的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對其位置精度和承載力的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于氣動肌肉的六自由度柔性機(jī) 械手臂?；跉鈩蛹∪獾牧杂啥热嵝詸C(jī)械手臂包括機(jī)械手臂固定平臺、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、 腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動包括第一氣動人工肌肉、第二氣 動人工肌肉、第三氣動人工肌肉、第四氣動人工肌肉、第五氣動人工肌肉、第六氣動人工肌 肉，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動包括第七氣動人工肌肉、第八氣動人工肌肉、第九氣動人工肌肉、第十氣動 人工肌肉，腕關(guān)節(jié)驅(qū)動包括第十一氣動人工肌肉、第十二氣動人工肌肉、第十三氣動人工肌 肉、第十四氣動人工肌肉；機(jī)械手固定平臺與滑塊機(jī)構(gòu)連接，滑塊機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接， 滑塊機(jī)構(gòu)通過第五氣動人工肌肉、第六氣動人工肌肉實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)通過中間支撐桿連接肩部大U型框，肩部大U型框上安裝有肩部軸，肩部軸與轉(zhuǎn)子相連 接，轉(zhuǎn)子通過第一氣動人工肌肉、第二氣動人工肌肉、第三氣動人工肌肉、第四氣動人工肌 肉與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相并聯(lián)，第一氣動人工肌肉、第二氣動人工肌肉、第三氣動人工肌肉、第四氣 動人工肌肉帶動轉(zhuǎn)子和肩部軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Y軸轉(zhuǎn)動，肩部軸的另一端接有肩部旋轉(zhuǎn) 塊，肩部軸的旋轉(zhuǎn)帶動肩部旋轉(zhuǎn)塊旋轉(zhuǎn)，肩部旋轉(zhuǎn)塊通過肘部支撐桿與肘部虎克鉸上叉形 鉸鏈座相連，肩部旋轉(zhuǎn)塊通過第七氣動人工肌肉、第八氣動人工肌肉、第九氣動人工肌肉、 第十氣動人工肌肉與肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座相并聯(lián)，肘部虎克鉸上叉形鉸鏈座和肘部虎 克鉸下叉形鉸鏈座連接有肘部十字軸，第七氣動人工肌肉、第八氣動人工肌肉、第九氣動人 工肌肉、第十氣動人工肌肉帶動肘部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，肘 部虎克鉸下叉形鉸鏈座通過腕部支撐桿與腕部上叉形鉸鏈座相連接，肘部虎克鉸下叉形鉸 鏈座通過第十一氣動人工肌肉、第十二氣動人工肌肉、第十三氣動人工肌肉、第十四氣動人工肌肉與腕部虎克鉸下叉形鉸鏈座相并聯(lián)，腕部虎克鉸上叉形鉸鏈座和腕部虎克鉸下叉形 鉸鏈座連接有腕部十字軸，第十一氣動人工肌肉、第十二氣動人工肌肉、第十三氣動人工肌 肉、第十四氣動人工肌肉帶動腕部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。本發(fā)明旨在利用氣動人工肌肉設(shè)計(jì)一種高精度的六自由度柔性機(jī)械手臂，解決現(xiàn) 有機(jī)械手臂的一些缺陷。設(shè)計(jì)過程中充分利用氣動人工肌肉的柔順性和并聯(lián)機(jī)器人精度高 等特點(diǎn)，拓寬了機(jī)械手臂的研究領(lǐng)域，適應(yīng)了仿生、康復(fù)等領(lǐng)域?qū)C(jī)械手臂關(guān)節(jié)柔順性的需 求。本發(fā)明采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動，利用氣動肌肉作為關(guān)節(jié)的執(zhí)行元件，模仿 人體肌肉伸縮的動作，利用虎克鉸機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)兩個旋轉(zhuǎn)自由度和腕關(guān)節(jié)的兩個旋轉(zhuǎn) 自由度，通過軸帶動整個手臂實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的兩個自由度。該六自由度柔性機(jī)械手臂具有結(jié) 構(gòu)新穎，簡單，易控制，柔順，承載能力強(qiáng)，精度高，無積累誤差，反應(yīng)快，剛性、動態(tài)性能大等 優(yōu)點(diǎn)。


圖1為多自由度柔性機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖；圖2為腕關(guān)節(jié)虎克鉸機(jī)構(gòu)示意圖；圖3為肘關(guān)節(jié)虎克鉸機(jī)構(gòu)示意圖；圖4為六自由度柔性機(jī)械手臂控制流程圖；圖中機(jī)械手臂固定平臺1、肩關(guān)節(jié)2、肘關(guān)節(jié)3、腕關(guān)節(jié)4、第一氣動人工肌肉5、第 二氣動人工肌肉6、第三氣動人工肌肉7、第四氣動人工肌肉8、第五氣動人工肌肉9、第六氣 動人工肌肉10、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動11、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動12、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動13、第七氣動人工肌肉14、第八 氣動人工肌肉15、第九氣動人工肌肉16、第十氣動人工肌肉17、第十一氣動人工肌肉18、第 十二氣動人工肌肉19、第十三氣動人工肌肉20、第十四氣動人工肌肉21、移動導(dǎo)軌22、旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)23、滑塊機(jī)構(gòu)24、中間支撐桿25、肩部軸26、直線軸承27、直線軸承28、肘部支撐桿29、 肩部旋轉(zhuǎn)塊30、肘部虎克鉸上叉形鉸鏈座31、肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座32、腕部支撐桿33、 腕部虎克鉸上叉形鉸鏈座34、腕部十字軸35、肘部十字軸36、肩部大U型框37、轉(zhuǎn)子38、腕 部虎克鉸下叉形鉸鏈座39、手爪40。
具體實(shí)施例方式如圖1 3所示，基于氣動肌肉的六自由度柔性機(jī)械手臂包括機(jī)械手臂固定平臺 1、肩關(guān)節(jié)2、肘關(guān)節(jié)3、腕關(guān)節(jié)4、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動11、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動12、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動13，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動 11包括第一氣動人工肌肉5、第二氣動人工肌肉6、第三氣動人工肌肉7、第四氣動人工肌肉 8、第五氣動人工肌肉9、第六氣動人工肌肉10，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動12包括第七氣動人工肌肉14、 第八氣動人工肌肉15、第九氣動人工肌肉16、第十氣動人工肌肉17，腕關(guān)節(jié)驅(qū)動13包括第 十一氣動人工肌肉18、第十二氣動人工肌肉19、第十三氣動人工肌肉20、第十四氣動人工 肌肉21 ；機(jī)械手固定平臺1與滑塊機(jī)構(gòu)24連接，滑塊機(jī)構(gòu)24與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)23相連接，滑塊 機(jī)構(gòu)24通過第五氣動人工肌肉9、第六氣動人工肌肉10實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)2繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)23通過中間支撐桿25連接肩部大U型框37，肩部大U型框37上安裝有肩部軸26， 肩部軸26與轉(zhuǎn)子38相連接，轉(zhuǎn)子38通過第一氣動人工肌肉5、第二氣動人工肌肉6、第三氣動人工肌肉7、第四氣動人工肌肉8與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)23相并聯(lián)，第一氣動人工肌肉5、第二氣 動人工肌肉6、第三氣動人工肌肉7、第四氣動人工肌肉8帶動轉(zhuǎn)子38和肩部軸26運(yùn)動實(shí) 現(xiàn)肩關(guān)節(jié)2繞Y軸轉(zhuǎn)動，肩部軸26的另一端接有肩部旋轉(zhuǎn)塊30，肩部軸26的旋轉(zhuǎn)帶動肩部 旋轉(zhuǎn)塊30旋轉(zhuǎn)，肩部旋轉(zhuǎn)塊30通過肘部支撐桿29與肘部上叉形鉸鏈座31相連，肩部旋轉(zhuǎn) 塊30通過第七氣動人工肌肉14、第八氣動人工肌肉15、第九氣動人工肌肉16、第十氣動人 工肌肉17與肘關(guān)節(jié)虎克鉸下叉形鉸鏈座32相并聯(lián)，上叉形鉸鏈座31和下叉形鉸鏈座32 連接有肘部十字軸36，第七氣動人工肌肉14、第八氣動人工肌肉15、第九氣動人工肌肉16、 第十氣動人工肌肉17帶動肘部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，肘關(guān)節(jié)虎 克鉸下叉形鉸鏈座32通過腕部支撐桿33與腕部上叉形鉸鏈座34相連接，肘關(guān)節(jié)虎克鉸下 叉形鉸鏈座32通過第十一氣動人工肌肉18、第十二氣動人工肌肉19、第十三氣動人工肌肉 20、第十四氣動人工肌肉21與腕關(guān)節(jié)虎克鉸下叉形鉸鏈座39相并聯(lián)，腕部上叉形鉸鏈座34 和腕部下叉形鉸鏈座39連接有腕部十字軸35，第十一氣動人工肌肉18、第十二氣動人工肌 肉19、第十三氣動人工肌肉20、第十四氣動人工肌肉21帶動腕部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié) 繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。本發(fā)明的工作過程如下，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動通過第五氣動人工肌肉9、第六氣動人工肌 肉10中輸入不同壓力值的氣體來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)2繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；通過第一氣動人工肌肉5、 第二氣動人工肌肉6和第三氣動人工肌肉7、第四氣動人工肌肉8組成的兩對氣動肌肉其中 一對縮短而相鄰的一對伸長來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Y軸轉(zhuǎn)動。肘關(guān)節(jié)運(yùn)動通過第七氣動人工肌 肉14、第八氣動人工肌肉15和第九氣動人工肌肉16、第十氣動人工肌肉17組成的兩對氣 動肌肉其中一對縮短而相鄰的一對伸長來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞Y軸轉(zhuǎn)動；通過第七氣動人工肌肉 14、第九氣動人工肌肉16和第八氣動人工肌肉15、第十氣動人工肌肉17組成的兩對氣動肌 肉其中一對縮短而相鄰的一對伸長來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞X軸旋轉(zhuǎn)。腕關(guān)節(jié)運(yùn)動通過第十一氣 動人工肌肉18、第十二氣動人工肌肉19、第十三氣動人工肌肉20、第十四氣動人工肌肉21 組成的兩對氣動肌肉其中一對縮短而相鄰的一對伸長來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)繞Y軸轉(zhuǎn)動；當(dāng)?shù)谑?氣動人工肌肉18、第十三氣動人工肌肉20和第十二氣動人工肌肉19、第十四氣動人工肌肉 21組成的兩對氣動肌肉其中一對縮短而相鄰的一對伸長來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。因此， 通過控制各氣動人工肌肉的內(nèi)部壓力來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，從 而使得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確達(dá)到所需空間位置。 如圖4所示，在控制界面中輸入氣動肌肉機(jī)械手的操作命令，通過數(shù)據(jù)采集卡D/ A 口和I/O 口分別調(diào)節(jié)壓力比例閥和電磁閥，從而控制氣路系統(tǒng)的各支路，通過壓力傳感器 檢測壓力狀況，由位移傳感器檢測氣動人工肌肉的輸出位移，同時利用角度傳感器檢測氣 動肌肉機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，各傳感器把檢測到的模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換 后輸入到控制界面。在控制系統(tǒng)中，利用nRF905可實(shí)現(xiàn)對該六自由度柔性機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)距 離控制。
權(quán)利要求
一種基于氣動肌肉的六自由度柔性機(jī)械手臂，其特征在于包括機(jī)械手臂固定平臺(1)、肩關(guān)節(jié)(2)、肘關(guān)節(jié)(3)、腕關(guān)節(jié)(4)、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(11)、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(12)、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(13)，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(11)包括第一氣動人工肌肉(5)、第二氣動人工肌肉(6)、第三氣動人工肌肉(7)、第四氣動人工肌肉(8)、第五氣動人工肌肉(9)、第六氣動人工肌肉(10)，肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(12)包括第七氣動人工肌肉(14)、第八氣動人工肌肉(15)、第九氣動人工肌肉(16)、第十氣動人工肌肉(17)，腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(13)包括第十一氣動人工肌肉(18)、第十二氣動人工肌肉(19)、第十三氣動人工肌肉(20)、第十四氣動人工肌肉(21)；機(jī)械手固定平臺(1)與滑塊機(jī)構(gòu)(24)連接，滑塊機(jī)構(gòu)(24)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(23)相連接，滑塊機(jī)構(gòu)(24)通過第五氣動人工肌肉(9)、第六氣動人工肌肉(10)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)(2)繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(23)通過中間支撐桿(25)連接肩部大U型框(37)，肩部大U型框(37)上安裝有肩部軸(26)，肩部軸(26)與轉(zhuǎn)子(38)相連接，轉(zhuǎn)子(38)通過第一氣動人工肌肉(5)、第二氣動人工肌肉(6)、第三氣動人工肌肉(7)、第四氣動人工肌肉(8)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(23)相并聯(lián)，第一氣動人工肌肉(5)、第二氣動人工肌肉(6)、第三氣動人工肌肉(7)、第四氣動人工肌肉(8)帶動轉(zhuǎn)子(38)和肩部軸(26)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)(2)繞Y軸轉(zhuǎn)動，肩部軸(26)的另一端接有肩部旋轉(zhuǎn)塊(30)，肩部軸(26)的旋轉(zhuǎn)帶動肩部旋轉(zhuǎn)塊(30)旋轉(zhuǎn)，肩部旋轉(zhuǎn)塊(30)通過肘部支撐桿(29)與肘部虎克鉸上叉形鉸鏈座(31)相連，肩部旋轉(zhuǎn)塊(30)通過第七氣動人工肌肉(14)、第八氣動人工肌肉(15)、第九氣動人工肌肉(16)、第十氣動人工肌肉(17)與肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座(32)相并聯(lián)，肘部虎克鉸上叉形鉸鏈座(31)和肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座(32)連接有肘部十字軸(36)，第七氣動人工肌肉(14)、第八氣動人工肌肉(15)、第九氣動人工肌肉(16)、第十氣動人工肌肉(17)帶動肘部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座(32)通過腕部支撐桿(33)與腕部虎克鉸上叉形鉸鏈座(34)相連接，肘部虎克鉸下叉形鉸鏈座(32)通過第十一氣動人工肌肉(18)、第十二氣動人工肌肉(19)、第十三氣動人工肌肉(20)、第十四氣動人工肌肉(21)與腕部虎克鉸下叉形鉸鏈座(39)相并聯(lián)，腕部上叉形鉸鏈座(34)和腕部虎克鉸下叉形鉸鏈座(39)連接有腕部十字軸(35)，第十一氣動人工肌肉(18)、第十二氣動人工肌肉(19)、第十三氣動人工肌肉(20)、第十四氣動人工肌肉(21)帶動腕部虎克鉸運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。腕部虎克鉸下叉形鉸鏈座(39)與手爪(40)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由氣動肌肉驅(qū)動的六自由度柔性機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)，它主要包括機(jī)械手臂固定平臺、肩關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)驅(qū)動、肘關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動、腕關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)驅(qū)動所組成，其中肩關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝與機(jī)械手臂固定平臺之上，利用氣動肌肉并聯(lián)帶動軸和轉(zhuǎn)子來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)，肘關(guān)節(jié)采用虎克鉸機(jī)構(gòu)，由四根肌肉并聯(lián)工作來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)，腕關(guān)節(jié)采用虎克鉸機(jī)構(gòu)，由四根肌肉并聯(lián)工作來實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)繞Z軸和Y軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明解決了目前機(jī)械手臂使用的缺陷，具有結(jié)構(gòu)新穎，簡單，易控制，柔順，承載能力強(qiáng)，精度高，無積累誤差，反應(yīng)快，剛性、動態(tài)性能大等優(yōu)點(diǎn)，同時利用遠(yuǎn)程控制該機(jī)械手臂，在危險作業(yè)環(huán)境下也具有很高的利用價值。
文檔編號B25J9/08GK101817181SQ20101014848
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者劉爽, 朱紅亮, 金英子 申請人:浙江理工大學(xué)