一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及仿生机械手技术领域，具体涉及一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手。
【背景技术】
[0002]传统的机械手，其驱动方式大多为电机、液压驱动，通常自由度较少、体积较大、笨重、且不具备柔顺性，这些缺陷使其应用范围较窄。
[0003]随着电子技术和机器人仿生学的不断发展，对于气动肌肉仿生机械手的研宄越来越普遍。气动肌肉仿生机械手具有质轻、灵巧的优点，使其在医学、服务等领域得到了广泛的应用，是技术发展的方向。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服上述【背景技术】中的不足，提供一种多自由度仿生机械手，该机械手具有仿生的基本功能，具有灵巧、安全、体积小、力重比大、易制造、节能、环保、柔顺的特点。
[0005]本发明采用了以下技术方案:一种绳牵引和气动肌肉驱动的多自由度仿生机械手，其特征在于:包括机械手机构、为机械手机构提供动力的人工肌肉系统、将动力传递给机械手机构的绳牵引系统以及控制人工肌肉系统动作的气路回路控制系统；
[0006]所述机械手机构包括一端可活动地定位在固定支架上，另一端和虎克铰一连接的旋转支架、与肩关节相连接的机械上臂、通过肘关节可活动地定位在机械上臂的机械下臂、通过腕关节一和腕关节二可活动地定位在机械下臂的手组件以及可活动地并联定位在手组件的手掌上的五根手指；
[0007]所述人工肌肉系统包括驱动机械上臂的第一气动肌肉、第二气动肌肉，驱动机械下臂的第三气动肌肉，驱动腕关节一、腕关节二、五根手指的一组第四气动肌肉；
[0008]所述绳牵引系统包括分别用于牵引旋转支架、腕关节一、腕关节二及五根手指运动的若干绳子。
[0009]作为优选，所述旋转支架的一端通过轴承可活动地定位在固定支架上，所述肩关节和虎克铰一固定在一起，并通过虎克铰一可活动地定位在旋转支架的另一端；所述机械上臂的一端连接肩关节，另一端通过虎克铰二可转动地连接肘关节。
[0010]作为优选，所述第一气动肌肉的一端可转动地定位在固定支架上，另一端连接绳子，通过绳子的牵引来驱动旋转支架的旋转滑轮，使旋转支架绕滑轮轴线实现一个自由度的转动；所述第二气动肌肉的一端定位在旋转支架的圆盘42-1上，另一端通过驱动虎克铰一来实现肩关节以及机械上臂的前后屈伸和左右收展两个自由度的运动。
[0011]作为优选，所述机械下臂的一端固定在肘关节上，另一端通过腕关节一和腕关节二连接手掌；所述第四气动肌肉一端可转动地定位在肌肉固定架的一端，另一端连接绳子，在绳子的牵引下来实现腕关节一的左右旋转和腕关节二的上下抬升两个自由度的运动。
[0012]作为优选，所述第三气动肌肉的一端可转动地定位在肩关节上，另一端通过虎克铰二驱动肘关节，实现肘关节的前后伸展和左右旋转两个自由度的运动。
[0013]作为优选，所述手掌通过腕关节轴二可转动地与支撑座连接，支撑座通过腕关节轴一可转动地定位在手腕上。
[0014]作为优选，所述五个手指中的拇指、食指、中指、无名指和小指各自由若干个指节通过手指轴铰接形成，并且各手指通过根部的手指轴一可转动地并联铰接在手掌上，同一手指中，手指轴一的轴线和其它手指轴的轴线垂直；
[0015]所述五个手指中，拇指的手指轴一的轴线和手掌的上下面平行，拇指其它的手指轴轴线和手掌上下面所在的平面垂直。
[0016]作为优选，所述指节的两个铰接端中，其中一个铰接端固定一滑轮；每一滑轮上均缠绕一通过牵引滑轮进而驱使指节运动的绳子，该绳子的两端分别穿过各指节中的导丝孔、手掌上的绕线轮、手掌导线孔、手腕以及肌肉固定架的形状盘后再分别与相应的第四气动肌肉的一端连接，以实现每根手指三个自由度的仿生运动。
[0017]作为优选，每根手指的中指节和远指节親合，中指节一端的双滑轮和远指节一端的远滑轮通过绳子牵引，当双滑轮绕其轴线转动时，在绳子的牵引下，远滑轮也会产生相应的转动。
[0018]作为优选，所述的肌肉固定架上有两个所述形状盘，两个形状盘上都有一组小孔，其中一个盘上的小孔用来定位第四气动肌肉，另一盘上的小孔用来作为绳子的导向孔。
[0019]本发明的工作原理是:当气路回路中充入不同量的空气时，各气动肌肉产生不同的轴向拉力，使得手臂各关节发生相应的运动。手各机构的运动是通过气动肌肉拉动绳子，在绳子的牵引下，带动滑轮，使手腕和各手指产生仿生运动。因此，通过控制气动肌肉内的压力来实现机械手各机构的运动，再经过PID的模糊整定，不断调节，使机械手达到理想的运动状态。
[0020]本发明的有益效果是:采用气动肌肉、简单的并联机构、气动回路控制系统，绳牵引系统实现了人体手臂和手的仿生运动。此外该仿生机械手具有自由度多、质量轻、驱动器力重比较大、柔顺、末端执行器灵巧、运动范围大等优点，这些使得它的通用性较强，可以在仿生、康复、服务、工业等领域被应用。
【附图说明】
[0021]图1为本发明整体的立体结构示意图；
[0022]图2为本发明的部分机构的立体结构示意图一；
[0023]图3为本发明的部分机构的立体结构示意图二 ；
[0024]图4为本发明的部分机构的立体结构示意图三；
[0025]图5为本发明中手组件的立体结构示意图一；
[0026]图6为本发明中手组件的立体结构示意图二 ；
[0027]图7为本发明中手指的立体结构示意图；
[0028]图8为本发明中手组件的动力传递关系示意图；
[0029]图9为本发明的气路回路控制系统不意图；
[0030]图10为本发明的控制流程图。
[0031]图中:1.固定支架、2.第一气动肌肉、3.旋转支架、4.第二气动肌肉、5.虎克铰一、6.肩关节、7.第三气动肌肉、8.机械上臂、9.虎克铰二、10.肘关节、11.机械小臂、12.肌肉固定架、13.第四气动肌肉、14.手腕、15.支撑座、16.腕关节一、17.腕关节二、18.手组件、19.手掌、20.绕线轮、21.拇指、22.食指、23.中指、24.无名指、25.小指、26.腕关节轴二、27.腕关节轴一、28.滑轮、29.手指撑板、30.掌骨滑轮、31.手指轴一、32.手指掌骨指节、33.手指轴二、34.轴承、35.近滑轮、36.近指节、37.中指节、38.双滑轮、39.远滑轮、40.远指节、41.旋转滑轮、42.旋转轴、42-1.圆盘、43绳子、44.导绳孔、45.出绳孔、46.导向孔、47气源装置、48.气动三联件、49.电磁阀、50.比例压力阀、51.压力传感器、52.气动肌肉、53.角度传感器、54.关节、55.数据采集卡、56.计算机、57.铰接轴。
【具体实施方式】
[0032]以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0033]本发明所述的气动人工肌肉作为新型机器人和机械手的驱动器在各领域应用中有很大的潜力。气动肌肉具有高的仿生性，它结构简单、体积小的特点使它可以依附在机械手的结构内；它紧密度高、强度大、力重比大的性能使它可以像生物肌肉一样对关节的运动提供一个动力；它依靠空气的作用使其体积发生膨胀来产生拉力，这使机械手具有安全性和柔顺性，同时以空气作为介质，有利于节能和环保。所以，可以利用气动肌肉来直接驱动或间接驱动机械手的运动。
[0034]如图1所示，本发明包括机械手机构、驱动机械手机构运动的人工肌肉系统、对人工肌肉系统进行气体传送从而控制人工肌肉系统动作的气路回路控制系统、将人工肌肉系统的动力传递给机械手机构的绳牵弓I系统。
[0035]机械手机构中:机械上臂8通过铰接轴57直接定位在肩关节6上，机械下臂11通过肘关节10可活动地定位在机械上臂8上，手组件18通过腕关节一 16、腕关节二 17可活动地定位在机械下臂上，手组件包括手掌19、拇指、食指、中指、无名指和小指，五个手指可活动地并联定位在手掌19上。
[0036]固定支架I通过旋转轴42和旋转支架3相连；旋转支架通过旋转轴和虎克铰一 5相连；肩关节和虎克铰一是固定的，机械上臂通过铰接轴直接和肩关节连接，机械上臂的另一端通过虎克铰二可转动地连接肘关节；机械下臂的一端固定在肘关节上，另一端通过腕关节一和手腕14连接，手腕14通过手腕轴一 27和支撑座15连接；手掌通过手腕轴二 26可转动地和腕关节二连接。
[0037]所述五个手指结构相同，各自由若干个指节通过手指轴铰接形成，并且各手指通过根部的手指轴一 31可转动地并联铰接在手掌上。以小指为例(参见图7):手指掌骨指节32、手指近指节36、手指中指节37、手指远指节40分别通过手指轴二 33互相轴线平行地铰接为一体，这些轴线也与手掌面平行(拇指的这些手指轴轴线与手掌面垂直)，其中铰接手指掌骨指节与手指撑板的手指轴一 31的轴线垂直于铰接其它指节手指轴的轴线(拇指该处手指轴的轴线平行于手掌面)，手指撑板29固定在手掌上。
[0038]由图7可见:手指撑板的一端通过手指轴一与手指掌骨指节32的一端铰接在一起(其中手指撑板和手指轴一之间装有轴承34，手指轴一中点固定着掌骨