專利名稱：七自由度氣動肌肉柔性機械手臂的制作方法
技術領域：
本發明涉及機械手臂，尤其涉及一種七自由度氣動肌肉柔性機械手臂。
背景技術：
傳統機械手臂均采用6個自由度，機械手臂只需6個自由度就可以到達空間任何 位置。目前為止，六自由度非冗余機器人運動學理論已相當成熟。但是，由于機構的奇異及 障礙物的存在，機械手臂無法完成某些較為復雜的動作。因此，人們希望機械手臂多余六個 自由度，同時不僅具有精度高、響應快、承載能力大等特點，而且具有良好的柔順性。七自由 度對于需要避障和回避內部奇異的機器人來說是最少的自由度數。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種七自由度氣動肌肉柔性機械手臂。七自由度氣動肌肉柔性機械手臂包括機械手臂固定平臺、肩關節、肘關節、腕關節 以及氣爪；肩關節由第一動肌肉、第二氣動肌肉、第三氣動肌肉、第四氣動肌肉、第五氣動肌 肉、第六氣動肌肉驅動，肘關節由第七氣動肌肉、第八氣動肌肉、第九氣動肌肉、第十氣動肌 肉驅動，腕關節由第十一氣動肌肉、第十二氣動肌肉、第十三氣動肌肉、第十四氣動肌肉驅 動；機械手臂固定平臺通過肩部滑動支撐桿和底部旋轉機構相連接，帶動整個機械手臂運 動，滑動支撐桿兩側設有第一氣動肌肉、第二氣動肌肉，第一氣動肌肉、第二氣動肌肉帶動 整個機械手臂繞肩部旋轉支撐桿旋轉，肩部旋轉支撐桿上裝有球絞，球絞連有肩部連接件， 肩部連接件的一端裝有驅動肩關節運動的第三氣動肌肉、第四氣動肌肉、第五氣動肌肉、第 六氣動肌肉，肩部連接件的另一端裝有驅動肘關節運動的第七氣動肌肉、第八氣動肌肉、第 九氣動肌肉、第十氣動肌肉，第三氣動肌肉、第四氣動肌肉、第五氣動肌肉、第六氣動肌肉驅 動肩關節繞X、Y軸旋轉，底部旋轉機構與旋轉底盤相連接，旋轉底盤頂部通過旋轉機構與 肩部滑動支撐桿相連接，肩部連接件兩端的中心分別設有肩部旋轉支撐桿和肘部旋轉支撐 桿，肘部旋轉支撐桿連接肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座，肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座通過肘 部十字架與肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座相連接，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座與第七氣動肌 肉、第八氣動肌肉、第九氣動肌肉、第十氣動肌肉的另一端相連接，第七氣動肌肉、第八氣動 肌肉、第九氣動肌肉、第十氣動肌肉驅動肘關節繞X、Y軸旋轉，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座 的另一端設有第十一氣動肌肉、第十二氣動肌肉、第十三氣動肌肉、第十四氣動肌肉，肘關 節虎克鉸下叉形鉸鏈座連有腕部支撐桿，腕部支撐桿連接腕關節虎克鉸上叉形鉸鏈座，腕 關節虎克鉸上叉形鉸鏈座通過肘部十字架與腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座相連接，腕關節虎 克鉸下叉形鉸鏈座與第十一氣動肌肉、第十二氣動肌肉、第十三氣動肌肉、第十四氣動肌肉 的另一端相連接，第十一氣動肌肉、第十二氣動肌肉、第十三氣動肌肉、第十四氣動肌肉驅 動腕關節繞Y、Z軸旋轉，腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座連接手爪。本發明旨在結合氣動人工肌肉解決現有氣動肌肉機械手臂的一些缺點。充分利用多自由度能夠解決機構的奇異及障礙物的存在等特殊場合的需求。同時氣動人工肌肉具有 柔順性特點，拓寬了機械手臂的研究領域，適合于特殊場合對機械手臂的特殊要求。通過控 制各氣動人工肌肉氣路不同的壓力值來實現機械手臂各個關節的轉動，從而使得末端執行 機構達到所需空間位置。本發明的七自由度氣動肌肉機械手臂肘關節和腕關節分別由四根氣動人工肌肉 驅動，肩關節采用6根氣動肌肉驅動，關節由并聯機構組成，四根氣動肌肉組成兩組，采用 兩路氣體輸入。兩組氣路充入不同壓力的壓縮空氣時，使得關節繞相應的軸轉動。因此，通 過控制氣路的壓力來實現機械手臂的腕關節、肘關節和肩關節的轉動角度和轉動方向，從 而使得末端執行機構達到所要求的空間位置。
圖1是七自由度氣動肌肉柔性機械手臂機構示意圖中機械手臂固定平臺1、肩關節2、肘關節3、腕關節4、氣爪5、第一氣動肌肉6、第 二氣動肌肉7、第三氣動肌肉8、第四氣動肌肉9、第五氣動肌肉10、第六氣動肌肉11、第七 氣動肌肉12、第八氣動肌肉13、第九氣動肌肉14、第十氣動肌肉15、第十一氣動肌肉16、第 十二氣動肌肉17、第十三氣動肌肉18、第十四氣動肌肉19、肩部滑動支撐桿20、底部旋轉機 構21、肩部旋轉支撐桿22、球絞M、肩部連接件M、旋轉底盤25、旋轉機構沈、肘部旋轉支 撐桿27、肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座觀、肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座四、肘部十字架30、腕 部支撐桿31、腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座32、腕關節虎克鉸上叉形33、肘部十字架34。
具體實施例方式如圖1所示，七自由度氣動肌肉柔性機械手臂包括機械手臂固定平臺1、肩關節2、 肘關節3、腕關節4以及氣爪5 ；肩關節2由第一動肌肉6、第二氣動肌肉7、第三氣動肌肉8、 第四氣動肌肉9、第五氣動肌肉10、第六氣動肌肉11、驅動，肘關節3由第七氣動肌肉12、第 八氣動肌肉13、第九氣動肌肉14、第十氣動肌肉15驅動，腕關節由第十一氣動肌肉16、第 十二氣動肌肉17、第十三氣動肌肉18、第十四氣動肌肉19驅動；機械手臂固定平臺1通過 肩部滑動支撐桿20和底部旋轉機構21相連接，帶動整個機械手臂運動，滑動支撐桿20兩 側設有第一氣動肌肉6、第二氣動肌肉7，第一氣動肌肉6、第二氣動肌肉7帶動整個機械手 臂繞肩部旋轉支撐桿22旋轉，肩部旋轉支撐桿22上裝有球絞^，球絞^連有肩部連接件 對，肩部連接件M的一端裝有驅動肩關節運動的第三氣動肌肉8、第四氣動肌肉9、第五氣 動肌肉10、第六氣動肌肉11，肩部連接件M的另一端裝有驅動肘關節運動的第七氣動肌肉 12、第八氣動肌肉13、第九氣動肌肉14、第十氣動肌肉15，第三氣動肌肉8、第四氣動肌肉9、 第五氣動肌肉10、第六氣動肌肉11驅動肩關節繞X、Y軸旋轉，底部旋轉機構21與旋轉底 盤25相連接，旋轉底盤25頂部通過旋轉機構沈與肩部滑動支撐桿20相連接，肩部連接件 24兩端的中心分別設有肩部旋轉支撐桿22和肘部旋轉支撐桿27，肘部旋轉支撐桿27連接 肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座觀，肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座觀通過肘部十字架30與肘關 節虎克鉸下叉形鉸鏈座四相連接，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座四與第七氣動肌肉12、第 八氣動肌肉13、第九氣動肌肉14、第十氣動肌肉15的另一端相連接，第七氣動肌肉12、第 八氣動肌肉13、第九氣動肌肉14、第十氣動肌肉15驅動肘關節繞X、Y軸旋轉，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座四的另一端設有第十一氣動肌肉16、第十二氣動肌肉17、第十三氣動肌肉 18、第十四氣動肌肉19，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座四連有腕部支撐桿31，腕部支撐桿31 連接腕關節虎克鉸上叉形鉸鏈座33，腕關節虎克鉸上叉形鉸鏈座33通過肘部十字架34與 腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座32相連接，腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座32與第十一氣動肌肉 16、第十二氣動肌肉17、第十三氣動肌肉18、第十四氣動肌肉19的另一端相連接，第十一氣 動肌肉16、第十二氣動肌肉17、第十三氣動肌肉18、第十四氣動肌肉19驅動腕關節繞Y、Z 軸旋轉，腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座32連接手爪5。 本發明通過輸入不同壓力值的氣體來實現機械手臂關節的運動。其中第一氣動肌 肉6、第二氣動肌肉7通過輸入不同壓力值的氣體來帶動整個機械手臂繞肩部繞Z軸旋轉。 第三氣動肌肉8、第四氣動肌肉9和第五氣動肌肉10、第六氣動肌肉11輸入不同壓力值的 氣體驅動肩關節繞X軸旋轉；氣動肌肉8、10和9、11第三氣動肌肉8、第五氣動肌肉10和第 四氣動肌肉9、第六氣動肌肉11輸入不同壓力值的氣體驅動肩關節繞Y軸。第十一氣動肌 肉16、第十二氣動肌肉17和第十三氣動肌肉18、第十四氣動肌肉19輸入不同壓力值的氣 體驅動腕關節繞Z軸旋轉；第十一氣動肌肉16、第十三氣動肌肉18和第十二氣動肌肉17、 第十四氣動肌肉19輸入不同壓力值的氣體驅動腕關節繞X軸旋轉。通過控制各氣動人工 肌肉氣路不同的壓力值來實現機械手臂各個關節的轉動，從而使得末端執行機構達到所需 空間位置。
權利要求
1. 一種七自由度氣動肌肉柔性機械手臂，其特征在于包括機械手臂固定平臺(1)、肩 關節O)、肘關節(3)、腕關節以及氣爪(5)；肩關節O)由第一動肌肉(6)、第二氣動 肌肉(7)、第三氣動肌肉(8)、第四氣動肌肉(9)、第五氣動肌肉(10)、第六氣動肌肉(11)驅 動，肘關節(3)由第七氣動肌肉(12)、第八氣動肌肉(13)、第九氣動肌肉(14)、第十氣動肌 肉(1 驅動，腕關節由第十一氣動肌肉(16)、第十二氣動肌肉(17)、第十三氣動肌肉(18)、 第十四氣動肌肉(19)驅動；機械手臂固定平臺(1)通過肩部滑動支撐桿00)和底部旋轉 機構相連接，帶動整個機械手臂運動，滑動支撐桿OO)兩側設有第一氣動肌肉(6)、 第二氣動肌肉(7)，第一氣動肌肉(6)、第二氣動肌肉(7)帶動整個機械手臂繞肩部旋轉支 撐桿0 旋轉，肩部旋轉支撐桿0 上裝有球絞(23)，球絞連有肩部連接件(M)， 肩部連接件04)的一端裝有驅動肩關節運動的第三氣動肌肉(8)、第四氣動肌肉(9)、第五 氣動肌肉(10)、第六氣動肌肉(11)，肩部連接件04)的另一端裝有驅動肘關節運動的第 七氣動肌肉(12)、第八氣動肌肉(13)、第九氣動肌肉(14)、第十氣動肌肉(15)，第三氣動肌 肉(8)、第四氣動肌肉(9)、第五氣動肌肉(10)、第六氣動肌肉(11)驅動肩關節繞X、Y軸旋 轉，底部旋轉機構與旋轉底盤0 相連接，旋轉底盤0 頂部通過旋轉機構06)與 肩部滑動支撐桿OO)相連接，肩部連接件04)兩端的中心分別設有肩部旋轉支撐桿02) 和肘部旋轉支撐桿(27)，肘部旋轉支撐桿(XT)連接肘關節虎克鉸上叉形鉸鏈座( )，肘關 節虎克鉸上叉形鉸鏈座08)通過肘部十字架(30與肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座( 相連 接，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座09)與第七氣動肌肉(12)、第八氣動肌肉(13)、第九氣動 肌肉(14)、第十氣動肌肉(1 的另一端相連接，第七氣動肌肉(12)、第八氣動肌肉(13)、第 九氣動肌肉(14)、第十氣動肌肉(1 驅動肘關節繞X、Y軸旋轉，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈 座09)的另一端設有第十一氣動肌肉(16)、第十二氣動肌肉(17)、第十三氣動肌肉(18)、 第十四氣動肌肉(19)，肘關節虎克鉸下叉形鉸鏈座09)連有腕部支撐桿(31)，腕部支撐桿 (31)連接腕關節虎克鉸上叉形鉸鏈座(33)，腕關節虎克鉸上叉形鉸鏈座(3 通過肘部十 字架(34)與腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座(3 相連接，腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座(32)與 第十一氣動肌肉(16)、第十二氣動肌肉(17)、第十三氣動肌肉(18)、第十四氣動肌肉(19) 的另一端相連接，第十一氣動肌肉(16)、第十二氣動肌肉(17)、第十三氣動肌肉(18)、第十四氣動肌肉(19)驅動腕關節繞Y、Z軸旋轉，腕關節虎克鉸下叉形鉸鏈座(3 連接手爪 ⑶。
全文摘要
本發明公開了一種七自由度氣動肌肉柔性機械手臂。它包括機械手臂固定平臺、肩關節、肘關節、腕關節以及氣爪，該機械手臂具有重量輕、柔順、易控制等特點。機械手各關節采用不同的設計機構，其中腕關節采用虎克鉸來驅動關節的兩個自由度，可以繞Y軸和Z軸旋轉；肘關節也采用虎克鉸驅動兩個自由度，可以繞X軸和Y軸旋轉；肩關節采用一球絞和一回轉機構分體組成來驅動關節的三個自由度，可以繞X、Y、Z軸旋轉。本發明具有結構新穎，重量輕，易控制，柔順，精度高，反應快，剛性、動態性能大等優點。它對于存在障礙物特殊場合和機械結構存在奇異性狀態下解決問題具有重要的實際意義。同時利用遠程控制系統，在危險作業環境下也具有很高的利用價值。
文檔編號B25J9/08GK102126210SQ20111006937
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者張立, 朱紅亮, 王龍輝, 趙屹, 金英子, 錢紅玉 申請人:浙江理工大學