360度多自由度仿人氣動肌肉機械手的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人機械手，具體涉及一種360度多自由度氣動機械手。
【背景技術(shù)】
[0002]近20年來，氣動技術(shù)的應用領(lǐng)域迅速拓展，尤其在各種自由化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。同時，機械手的應用領(lǐng)域也從最開始的工業(yè)控制領(lǐng)域逐步發(fā)展到醫(yī)療康復、商業(yè)娛樂、體育運動、公共安全、家務勞動等多個領(lǐng)域中。從而結(jié)合于氣動技術(shù)的機械手的研宄在各個領(lǐng)域中取得了廣泛的應用。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。氣動肌肉驅(qū)動的機械手是一類具有良好柔順性能、安全性能的機器人手臂。
[0003]氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是焊接生產(chǎn)線大多采用了氣動機械手。彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，可以看到各種大小不一、形狀不同的氣動機械手；對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝，煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序也大量采用了氣動機械手。此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫(yī)療器械上。如:氣動自動調(diào)節(jié)病床，Robodoc機器人，da Vinci S外科手術(shù)機器人等。然而在許多領(lǐng)域，尚需一種能夠在360度內(nèi)調(diào)節(jié)且具有多自由度的氣動機械手。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種360度多自由度氣動機械手；該機械手應具備人手的一些基本功能，可以獨立完成操作，并具有實用、柔順、體積小、安全、易控制、輕巧及機構(gòu)簡單等特點。
[0005]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種360度多自由度氣動機械手，包括機械手機構(gòu)以及為機械手機構(gòu)提供動力且由所述氣路控制系統(tǒng)控制的人工肌肉系統(tǒng)；其特征在于:
[0006]所述機械手機構(gòu)包括通過可活動地定位在固定支架上的旋轉(zhuǎn)支架、通過肩關(guān)節(jié)可活動地定位在旋轉(zhuǎn)支架上的機械大臂、通過肘關(guān)節(jié)可活動地定位在機械大臂上的機械小臂、通過腕關(guān)節(jié)可活動地定位在機械小臂上且?guī)в惺终频氖忠约翱苫顒拥夭⒙?lián)定位在手掌上的五個手指；
[0007]所述人工氣動肌肉系統(tǒng)包括通過鋼絲繩驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架的若干個第二氣動人工肌肉、通過鋼絲繩驅(qū)動肩關(guān)節(jié)的若干個第一氣動人工肌肉、通過鋼絲繩驅(qū)動肘關(guān)節(jié)的若干個第五氣動人工肌肉、通過鋼絲繩驅(qū)動腕關(guān)節(jié)的若干個第三氣動人工肌肉以及通過鋼絲繩驅(qū)動五個手指的若干個第四氣動人工肌肉；以使機械臂上可以實現(xiàn)多自由度的運動，包括整個機械手實現(xiàn)360度運動、肩關(guān)節(jié)帶動機械小臂繞機械大臂軸向方向的轉(zhuǎn)動、肘關(guān)節(jié)帶動機械小臂實現(xiàn)屈伸運動、腕關(guān)節(jié)帶動手實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和抬伸運動。
[0008]所述旋轉(zhuǎn)支架的下端固定著旋轉(zhuǎn)圓盤，上端安裝著帶有滑輪的肩關(guān)節(jié)；所述機械大臂的一端連接在肩關(guān)節(jié)上；
[0009]所述第二氣動人工肌肉的一端定位在固定支架上，另一端連接的鋼絲繩分別繞過導索架以及旋轉(zhuǎn)圓盤后再與另一第二氣動人工肌肉的一端連接，以實現(xiàn)整個機械手繞豎直軸線的360度運動；
[0010]所述第一氣動人工肌肉的一端固定在旋轉(zhuǎn)支架上，另一端連接的鋼絲繩通過旋轉(zhuǎn)支架上的導絲孔，繞過肩關(guān)節(jié)滑輪后與另一第一氣動人工肌肉的一端連接，以實現(xiàn)機械大臂繞肩關(guān)節(jié)滑輪軸線的轉(zhuǎn)動。
[0011]所述機械大臂的另一端與肘關(guān)節(jié)相連；所述第五氣動人工肌肉一端固定在旋轉(zhuǎn)支架上，另一端連接的鋼絲繩通過旋轉(zhuǎn)支架上的導絲孔，繞過肘關(guān)節(jié)滑輪后與另一第五氣動人工肌肉的一端連接，以實現(xiàn)機械小臂繞肘關(guān)節(jié)滑輪軸線的轉(zhuǎn)動。
[0012]所述機械小臂一端通過小臂右盤與肘關(guān)節(jié)相連，另一端與腕關(guān)節(jié)相連；所述若干第三氣動人工肌肉的一端固定在小臂右盤上，另一端連接的鋼絲繩分別繞過腕關(guān)節(jié)的兩個滑輪后再與另一第三氣動人工肌肉的一端連接，以實現(xiàn)手的旋轉(zhuǎn)和抬伸運動。
[0013]所述手通過第一支撐架定位在連接腕關(guān)節(jié)的圓盤架上；所述若干第四氣動人工肌肉的一端固定在該圓盤架上，另一端均連接一驅(qū)動手指的鋼絲繩。
[0014]所述五個手指中的小拇指、無名指、中指、食指，均由若干個指節(jié)分別通過一手指軸相互軸線平行地依次鉸接形成，并且可轉(zhuǎn)動地并聯(lián)鉸接在手掌上。
[0015]所述五個手指中的大拇指，由若干個指節(jié)分別通過一大拇指軸相互軸線平行地依次鉸接形成；該大拇指又通過十字軸可轉(zhuǎn)動地定位在手掌上；所述十字軸中的一個軸線與四個手指中的鉸接軸線垂直。
[0016]所述指節(jié)的鉸接端中，每個鉸接端均定位一滑輪，每一滑輪上均纏繞一鋼絲繩，該鋼絲繩的兩端分別穿越各指節(jié)中的導絲孔、手掌上的導向輪以及圓盤架后再分別與兩個第四人工肌肉連接；以實現(xiàn)手指的人工模擬運動。
[0017]本發(fā)明的工作原理是:當各氣路中充入不同壓力的壓縮空氣時，各氣動人工肌肉輸出不同的位移，從而拉動鋼絲繩帶動滑輪，使得手臂、手指各關(guān)節(jié)發(fā)生相應的轉(zhuǎn)動，通過模擬仿真，可以驅(qū)動整個機械手實現(xiàn)360度運動。因此，只需通過控制氣動人工肌肉內(nèi)部氣壓來實現(xiàn)機械手各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度和方向，再經(jīng)過PID模糊整定自適應系統(tǒng)，進而使得機械手的運動實現(xiàn)自適應控制，最終達到所要求的空間位置。
[0018]本發(fā)明采用簡單的并聯(lián)機構(gòu)以及用氣動人工肌肉作為驅(qū)動器，結(jié)合氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了人手臂與手的基本功能，從而為替代人手臂與手奠定了基礎(chǔ)。因此，此氣動人工肌肉的多自由度仿人機械手具有實用、柔順、安全、體積小、機構(gòu)簡單、輕巧、易控制等優(yōu)點，滿足康復機器人、仿生機器人、服務機器人等領(lǐng)域?qū)ζ湫阅艿男枨?，可以廣泛運用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖(圖中省略鋼絲繩)。
[0021]圖3為本發(fā)明中機械大臂和機械小臂的立體放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明中手的立體放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5為配合機械大臂和機械小臂的鋼絲繩連接關(guān)系示意圖。
[0024]圖6為本發(fā)明中手掌的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7為本發(fā)明中手指的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖8為本發(fā)明中大拇指的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖9為本發(fā)明中氣路控制系統(tǒng)示意圖。
[0028]圖10為本發(fā)明的控制流程示意圖。
[0029]圖中:1.固定支架，2.第一氣動肌肉，3.旋轉(zhuǎn)圓盤，4.第五氣動肌肉，5.第二氣動肌肉，6.肘關(guān)節(jié)，7.旋轉(zhuǎn)支架，8.肩關(guān)節(jié)，9.機械大臂，10.第三氣動肌肉，11.機械小臂，
12.小臂圓盤架，13.腕關(guān)節(jié)，14.圓盤架，15.第四氣動肌肉，16.手掌，18.手，19.導索架，
20.肩關(guān)節(jié)滑輪，21.肘關(guān)節(jié)滑輪，22.右邊滑輪、23.左邊滑輪，25.小拇指，26.無名指，
27.中指，28.食指，29.大拇指，30.手指撐板，31.手指軸，32.手指近滑輪，33.軸承，34.手指近指節(jié)，35.手指中滑輪，36.手指中指節(jié)，37.手指遠滑輪，38.手指遠指節(jié)，39.大拇指撐板，40.十字軸，41.大拇指近指節(jié)，42.大拇指中滑輪，43.大拇指軸，44.大拇指中指節(jié)，45.大拇指遠滑輪，46.大拇指遠指節(jié)，47.導向輪，48、49、50、61.鋼絲繩，51.氣源裝置，52.氣動三聯(lián)件，53.比例壓力閥，54.電磁閥，55.氣動人工肌肉，56.數(shù)據(jù)采集卡，57.計算機，58.導向孔，63.滑套，65.小臂右盤，14-1、4