一種基于氣缸與氣動肌肉混聯關節系統的制作方法

本發明屬于機器人關節技術領域，涉及一種氣動肌肉與氣缸混聯的結構和控制系統。

背景技術：

并聯機構相對于串聯機構具有誤差小、精度高、剛度大、反解易于實現等優點。

中國專利201410140825.3以三根均勻分布的氣動肌肉外加一個氣缸在中間作為支撐，可以實現指定平臺的升降、橫搖、縱搖，僅能夠對某一固定平臺的控制，并且運動空間受氣動肌肉收縮量和氣缸伸縮量限制，故有較大改進空間。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有的技術缺陷，提供了一種基于氣動肌肉與氣缸混聯的結構和控制系統，本發明結構緊湊，干凈、防爆等。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

基于氣缸和氣動肌肉混聯關節，包括底板2、中間平臺9、上端平臺15，氣缸和氣動肌肉，所述的底板2和所述的中間平臺9通過氣缸連接，所述的中間平臺9和上端平臺15也通過氣缸連接，所述的上端平臺15和所述的底板2通過所述的氣動肌肉連接。

進一步的，所述的底板2和所述的中間平臺9、所述的中間平臺9和上端平臺15的氣缸均為3個，所述的氣動肌肉也3個。

更進一步的，當所述的底板2固定、所述的中間平臺9和所述的上端平臺15運動時，各部件之間的連接如下：

所述的底板2和所述的中間平臺9之間的氣缸一端與所述的底板2固定連接，另一端與所述的中間平臺9可轉動連接，驅動中間平臺9橫搖、縱搖；

所述的中間平臺9和所述的上端平臺15之間的氣缸一端與所述的中間平臺9固定連接，另一端與所述的上端平臺15可轉動連接，驅動所述的上端平臺15橫搖、縱搖；

所述的氣動肌肉8、24、36的兩端分別與所述的底板2和所述的上端平臺15可轉動連接。

更進一步的，各部件之間的連接進一步為：

所述的底板2和所述的中間平臺9之間的氣缸7、22、23一端通過軸承座裝配體與底板2固定連接，另一端通過固定球鉸與中間平臺9連接；

所述的中間平臺9和所述的上端平臺15之間的氣缸11、18、19一端通過軸承座裝配體與所述的中間平臺9固定連接，另一端通過固定球鉸與所述的上端平臺15連接；

所述的氣動肌肉8、24、36的兩端與所述的底板2和所述的上端平臺15均通過連接接頭、固定球鉸連接。

更進一步的，所述的軸承座裝配體包括軸承座37、軸承38、氣缸底座40、氣缸連接軸41，所述的氣缸底座40與所述的氣缸底端固定連接，所述的氣缸底座40下端有孔，兩個所述的軸承38對稱放置在兩個所述的軸承座37上，所述的氣缸連接軸41穿過所述的氣缸底座40下端的孔，并對稱地穿過兩個所述的軸承38，將所述的氣缸底座40、氣缸連接軸41、軸承座37和軸承38裝配在一起，所述的軸承座37通過螺栓與所述的底板2或所述的中間固定平臺13固定連接。

一種控制如上述所述的氣缸和氣動肌肉混聯關節的控制系統，其還包括消聲器42、消聲罐43、高速開關閥閥組44、pwm波形發生器45、數據采集卡46、計算機47、氣動三聯體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51；

所述的氣動三聯體48、所述的保壓罐49、所述的高速開關閥閥組44進氣開關閥、所述的氣缸和氣動肌肉、所述的高速開關閥閥組44排氣開關閥、所述的消聲罐43、所述的消聲器42順次連接，所述的氣缸7、22、23、11、18、19和氣動肌肉8、24、36均同軸連接位移傳感器50，所述的氣缸7、22、23、11、18、19和氣動肌肉8、24、36上均連接壓力傳感器58，所述的位移傳感器50和所述的壓力傳感器58均與所述的數據采集卡46的輸入接口連接，所述的數據采集卡46輸出接口與所述的pwm波形發生器45輸入接口與相連，所述的pwm波形發生器45輸出接口與所述的高速開關閥閥組44驅動線圈相連，所述的數據采集卡46還與所述的計算機47相連。

本發明的有益效果是：

1.本發明利用多根氣動肌肉與氣缸混聯驅動平臺，可以同時實現三自由度、六自由度多個平臺多個方向的轉動協同運動；

2.本發明采用氣缸并聯、氣動肌肉并聯、氣缸與氣動肌肉混聯，實現了單獨剛體并聯機構、剛體并聯機構的串聯、單獨柔體并聯機構、剛體與柔體混聯氣缸不運動作為支撐桿與氣動肌肉并聯、氣缸運動與氣動肌肉并聯機構的姿態控制；

3.本發明利用氣動肌肉驅動具有較好的柔順性、較大的功率/質量比、結構緊湊等優點。

附圖說明

圖1是氣動肌肉與氣缸混聯俯視圖；

圖2是氣動肌肉與氣缸混聯仰視圖；

圖3是氣動肌肉裝配體爆炸圖；

圖4是氣缸裝配體爆炸圖；

圖5是氣動系統原理圖；

圖6是多路pwm工作原理圖；

圖中：球鉸一1、底板2、連接接頭一3、氣缸一軸承座裝配體4、球鉸二5、連接接頭二6、氣缸一7、氣動肌肉一8、中間平臺9、氣缸四軸承座裝配體10、氣缸四11、連接接頭三12、球鉸三13、球鉸四14、上端平臺15、球鉸五16、連接接頭四17、氣缸五18、氣缸六19、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸二22、氣缸三23、氣動肌肉三24、氣缸二軸承座裝配體25、連接接頭五26、球鉸六27、氣缸三軸承座裝配體28、氣缸一固定球鉸29、氣缸四固定球鉸30、連接接頭六31、氣缸六固定球鉸32、氣缸五固定球鉸33、氣缸三固定球鉸34、氣缸二固定球鉸35、氣動肌肉二36、軸承座37、軸承38、軸承座固定螺栓39、氣缸底座40、氣缸連接軸41、消聲器42、消聲罐43、高速開關閥閥組44、pwm波形發生器45、數據采集卡46、計算機47、氣動三聯體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51、dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55。

具體實施方式

如圖1、2、3、4、5、6所示，本發明基于氣動肌肉與氣缸混聯關節系統包括：球鉸一1、底板2、連接接頭一3、氣缸一軸承座裝配體4、球鉸二5、連接接頭二6、氣缸一7、氣動肌肉一8、中間平臺9、氣缸四軸承座裝配體10、氣缸四11、連接接頭三12、球鉸三13、球鉸四14、上端平臺15、球鉸五16、連接接頭四17、氣缸五18、氣缸六19、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸二22、氣缸三23、氣動肌肉三24、氣缸二軸承座裝配體25、連接接頭五26、球鉸六27、氣缸三軸承座裝配體28、氣缸一固定球鉸29、氣缸四固定球鉸30、連接接頭六31、氣缸六固定球鉸32、氣缸五固定球鉸33、氣缸三固定球鉸34、氣缸二固定球鉸35、氣動肌肉二36、軸承座37、軸承38、軸承座固定螺栓39、氣缸底座40、氣缸連接軸41、消聲器42、消聲罐43、高速開關閥閥組44、pwm波形發生器45、數據采集卡46、計算機47、氣動三聯體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51、dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55。

其中，氣缸一7、氣缸二22、氣缸三23一端分別通過氣缸一軸承座裝配體4、氣缸二軸承座裝配體25、氣缸三軸承座裝配體28與底板2相連，另一端分別通過氣缸一固定球鉸29、氣缸二固定球鉸35、氣缸三固定球鉸34與中間平臺9相連，驅動中間平臺9橫搖、縱搖；

同樣氣缸四11、氣缸五18、氣缸六19兩端分別通過氣缸四軸承座裝配體10、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸四固定球鉸30、氣缸五固定球鉸33、氣缸六固定球鉸32與中間平臺9、上端平臺15連接，驅動上端平臺15橫搖、縱搖；

氣動肌肉一8一端通過連接接頭一3、球鉸一1與底板2相連，另一端通過連接接頭三12、球鉸三13與上端平臺15相連，

同理氣動肌肉二36一端通過球鉸二5、連接接頭二6與底板2相連，另一端通過連接接頭六31、球鉸四14與上端平臺15相連；

氣動肌肉三24一端通過連接接頭五26、球鉸六27與底板2相連，另一端通過連接接頭四17、球鉸五16與上端平臺15相連，驅動上端平臺15橫搖、縱搖或者橫搖、縱搖、艏搖。

底板2和中間平臺9、中間平臺9和上端平臺之間的氣缸、上端平臺15和底板2之間的氣動肌肉可以均勻分布，也可以不均勻分布。

以上底板2、中間平臺9、上端平臺15的橫搖、縱搖或者橫搖、縱搖、艏搖均以底板2固定為例說明。在實際控制過程中，根據安裝固定的平臺而變化。

以兩個氣缸和兩根氣動肌肉為例說明基于氣動肌肉與氣缸混聯關節控制系統工作原理，如圖5所示，氣動三聯體48的出氣口連接保壓罐49以保證系統氣壓穩定，保壓罐49的出氣口連接高速開關閥閥組44，高速開關閥閥組44進氣開關閥的出氣口分別連接氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24，消聲罐43進氣口和排氣口分別連接高速開關閥閥組44排氣開關閥的出氣口和消聲器42，高速開關閥閥組44驅動線圈均與pwm波形發生器45輸出接口相連，pwm波形發生器45輸入接口與數據采集卡46輸出接口相連，氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24同軸連接的位移傳感器50與數據采集卡46輸入接口連接，氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24連接的壓力傳感器51與數據采集卡46輸入接口連接，數據采集卡46與計算機47相連。

pwm波形發生器45的工作原理，如圖6所示，以tms320f28335為例說明pwm波形發生器45實現方法，dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55均可以輸出18路pwm，計算機47輸出接口連接數據采集卡46，數據采集卡46的輸出接口與dsp主模塊52輸入接口相連，dsp主模塊52同時并行連接dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55，dsp主模塊52通過can通信的模式片選dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55中的那一個輸出pwm波形，dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55則通過計算機47下載到里面的程序選擇自身的18路中某一路輸出pwm波形，從而輸出多路pwm波形。

本發明的工作過程如下：將氣動三聯體48的進氣口連接氣源，通過觀察壓力表調節氣動三聯體48出氣口的氣體壓力，氣體進入保壓罐49，打開計算機47把ccs3.3編寫的控制程序下載到dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55，然后用vc++編寫的控制程序通過數據采集卡46控制dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55實現多路pwm輸出，高速開關閥閥組44以pwm占空比控制的形式給氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24充氣，氣體從保壓罐49進入氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24驅動其開始運動，排出的氣體進入消聲罐43，進一步通過消聲器42進入大氣，與此同時位移傳感器50、壓力傳感器51測量到氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24的運動位移量和氣壓，反饋給數據采集卡46，數據采集卡46控制高速開關閥閥組44改變pwm的占空比，控制對氣缸一7、氣缸四11、氣動肌肉一8、氣動肌肉三24的腔體進行充氣或者放氣，以實現關節運動到預定的位姿。

本發明，通過控制各執行元件—氣缸和氣動肌肉，實現其位姿的控制，可以用于飛行模擬、車輛人機環境模擬、動感影院、波浪模擬等領域，并且可以實現精確的軌跡控制，本發明擁有其他氣缸和氣動肌肉混聯關節系統無法比擬的優勢。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式中的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。