基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人及其控制系统的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域,涉及一种基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人及其控制系统。

背景技术：

随着城市的发展,高空杆状城市建筑如电线杆、天然气管道、路灯杆、桥拉索等越来越多,这些建筑的喷漆、清洗、维护工作主要依靠人工“蜘蛛侠”完成和大型设备,对于工人来说不但工作效率低、劳动强度大、危险,而且清洗使用的化学对工人身体也有一定程度的伤害,大型设备则受工作场地范围和资金的限制,同时这些高空杆状城市建筑有些表面形状不规则,因此需要一款能够爬行不规则杆体的多自由度机器人。

中国专利201220172033.0、201410656160.1、201510556898.5、201520834209.8、201510492046.4、201520939589.1、201610698791.9、201610007351.4均以电机驱动爬行规则杆状机器人。

中国专利201420188928.2、201410672757.5均以气缸作为驱动元件设计了爬行规则杆状机器人。

电机频繁正反转容易烧,刚性较大、在易燃易爆地区不宜使用,液压缸和气缸的同样存在刚性太大的缺点。

中国专利201710485829.9首次提出基于气动肌肉具有柔性的爬杆机器人,但仅能够应用于表面形状规则的高空杆状城市建筑。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人及其控制系统，不但可以爬升形状规则的杆状,而且还可以爬升不规则形状的杆状,本发明结构紧凑,干净、防爆等。具体技术方案如下：

一种基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人，其特征在于，该爬杆机器人包括上端y方向夹紧系统1、上端x方向夹紧系统2、爬升系统3、下端夹紧系统12；

所述的上端y方向夹紧系统包括夹紧安装板一11、夹紧安装板二23、夹紧气动肌肉一2、夹紧气动肌肉二13，夹紧安装板一11和夹紧安装板二23可拆卸地拼接在一起，其中部形成夹紧槽，沿y方向在两个夹紧安装板的两端和夹紧槽中依次布置支撑架一、夹紧板一20、夹紧板二、支撑架二，支撑架一和支撑架二的下端分别与夹紧安装板一11和夹紧安装板二23固定连接，夹紧板一和夹紧板二的中部均与夹紧安装板可转动连接，夹紧气动肌肉一6的一端与支撑架一的上端连接，另一端与夹紧板一的上端可转动连接，夹紧气动肌肉二13的一端与与夹紧板二的上端可转动连接，另一端与支撑架二的上端连接；当夹紧气动肌肉一2、夹紧气动肌肉二13充气收缩时，通过杠杆原理带动夹紧板一20、夹紧板二下端转动，夹紧被爬杆；

上端x方向夹紧系统2的结构与上端y方向夹紧系统相同，布置方向相互垂直；

爬升系统3包括支腿一8、支腿三16、支腿二17、支腿四6，支腿一8和支腿三16长度相等且对称分布，它们的上端均与上端y方向夹紧系统1可转动连接,下端均与下端夹紧系统12可转动连接，支腿二17和支腿四6长度相等且对称分布，它们的上端均与上端x方向夹紧系统1相连,下端均与下端夹紧系统12相连；所述的支腿一8包括支腿一上半段7和支腿一下半段11，支腿一上半段7还包括蠕动气动肌肉一4和蠕动气动肌肉二5、支腿固定板27、皮带25和皮带轮26，蠕动气动肌肉一4和蠕动气动肌肉二5的一端均固定在支腿固定板27上，另一端通过皮带25相连，皮带轮26固定在支腿固定板27的下端，支腿一下半段11包括蠕动气动肌肉三9和蠕动气动肌肉四10，支腿一下半段11的结构与支腿一上半段7相同，支腿一下半段11和支腿一上半段7的皮带轮同轴安装；支腿三16、支腿二17、支腿四6的结构与支腿一8相同；

下端夹紧系统12包括夹紧安装板三34、夹紧安装板四38、夹紧安装板五40、夹紧安装板六42、夹紧气动肌肉三35、夹紧气动肌肉四39、夹紧气动肌肉五41、夹紧气动肌肉六43，夹紧安装板三34、四38、五40、六42依次可拆卸地连接在一起，其中部形成夹紧槽，夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43分别连接于夹紧安装板三34、四38、五40、六42上，夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43与夹紧安装板的连接方式与所述的上端y方向夹紧系统1相同。

进一步地，所述的夹紧气动肌肉一6与支撑架一的连接、夹紧气动肌肉二13与支撑架二的连接均为固定连接。

进一步地，所述的夹紧安装板三34、夹紧安装板四38、夹紧安装板五40、夹紧安装板六42为等角度的弧形形状，连接在一起形成圆形安装板，且上端y方向夹紧系统1、上端x方向夹紧系统2和下端夹紧系统12的夹紧槽均为圆形。

进一步地，所述的下端夹紧系统12也可以替换为下端y方向夹紧系统和下端x方向夹紧系统，且下端y方向夹紧系统和下端x方向夹紧系统固定连接，且相互垂直布置；所述的下端y方向夹紧系统与所述的上端y方向夹紧系统1结构相同，所述的下端x方向夹紧系统与所述的上端x方向夹紧系统2相同；所述的下端y方向夹紧系统通过支腿一8和支腿三17与所述的上端y方向夹紧系统1相连，所述的下端x方向夹紧系统通过支腿二17和支腿四6与所述的上端x方向夹紧系统2相连。

一种如上述的基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人的控制系统，其特征在于，该系统还包括计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46、气压电压转换电路47、保压气罐62、气动三联体63，所述的上端y方向夹紧系统1、支腿一8、支腿三16和下端夹紧系统12的控制系统还包括开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55、压力传感器二59、压力传感器四61；

压力传感器二59、压力传感器四61分别一端连接在蠕动气动肌肉二5、蠕动气动肌肉四10上，另一端通过气压电压转换电路47、数据采集卡与计算机相连；

计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46依次相连，开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55均与隔离与放大电路46相连，气动三联体63、保压气罐62相连，保压气罐62的出口与开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55相连，开关阀一48与夹紧气动肌肉一2相连，开关阀三50与夹紧气动肌肉二13相连，比例压力阀二53与蠕动气动肌肉二5相连，比例压力阀四55与蠕动气动肌肉四10相连，开关阀五64与夹紧气动肌肉三35相连，开关阀六66与夹紧气动肌肉四39相连，开关阀五68与夹紧气动肌肉五41相连，开关阀六70与夹紧气动肌肉六43相连；

当爬升时，高压气体经气动三联体63、保压气罐62和开关阀一48或开关阀三50进入夹紧气动肌肉一2和夹紧气动肌肉二13，夹紧气动肌肉一2和夹紧气动肌肉二13收缩带动夹紧板一和夹紧板二转动，并使夹紧板一和夹紧板二的下端夹紧被爬杆；高压气体经气动三联体63、保压气罐62、比例压力阀二53进入蠕动气动肌肉二5，蠕动气动肌肉二5收缩带动支腿一上半段7转动，支腿一下半段11摆动，进而带动下端夹紧系统12向上提升；高压气体经气动三联体63、保压气罐62和开关阀五64或开关阀七66或开关阀九68或开关阀十一68进入夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43，夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43收缩带动相应的夹紧板转动，并使夹紧板的下端夹紧被爬杆，此时，通过数据采集卡45、隔离与放大电路46控制开关阀二49、开关阀四51使夹紧气动肌肉一2和夹紧气动肌肉二13放气，使上端y方向夹紧系统松开被爬杆；高压气体经气动三联体63、保压气罐62、比例压力阀四55进入蠕动气动肌肉四10，蠕动气动肌肉四10收缩带动支腿一下半段11往相反方向转动，带动支腿一上半段7摆动，并推动上端y方向夹紧系统1上升，再继续使上端y方向夹紧系统1夹紧；

所述的支腿三17的控制与运动过程与支腿一8相同；

所述的上端x方向夹紧系统2以及与其相连的支腿二17、支腿四6、下端夹紧系统12的控制系统与所述的上端y方向夹紧系统1、支腿一8、支腿三17和下端夹紧系统12的控制系统相同，控制和运动过程也相同，且两者同步运动；

重复上述过程，即实现基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人的爬杆；

当下降时，控制与运动过程与爬升的控制与运动过程相反。

进一步地，所有的开关阀和比例压力阀的一端与消声罐57连接，消声罐57上连接消声器56。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用仅能够收缩不能够提供推力的气动肌肉作为动力原件,能够实现系统上升和下降的蠕动,取代传统仅能以电机、液压缸、气缸等可以同时提供伸缩的刚性原件驱动,实现上升和下降蠕动的观点：

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、质量轻、刚性小、结构紧凑等优点：

3.本发明既可以用于爬升形状规则的杆状,又可以爬升不规则形状的杆状,可以实现上升和下降蠕动的自由切换。

附图说明

图1是多自由度仿人爬杆机器人整体结构图；

图2是上端y方向夹紧结构图；

图3是爬升系统单支腿结构图；

图4是下端夹紧系统结构图；

图5是气动控制系统原理图；

图中：上端y方向夹紧系统1、夹紧气动肌肉一2、上端x方向夹紧系统3、蠕动气动肌肉一4、蠕动气动肌肉二5、支腿四6、支腿一上半段7、支腿一8、蠕动气动肌肉三9、蠕动气动肌肉四10、支腿一下半段11、下端夹紧系统12、夹紧气动肌肉二13、被爬杆14、爬升系统15、支腿三16、支腿二17、气动肌肉支撑板一18、夹紧连接件二19、夹紧板一20、夹紧连接件一21、夹紧安装板一22、夹紧安装板二23、皮带连接件一24、皮带25、皮带轮26、支腿固定板27、气动肌肉安装板28、支腿支撑板29、皮带连接件二30、气动肌肉支撑板二31、夹紧连接件三32、夹紧板二33、夹紧安装板三34、夹紧气动肌肉三35、夹紧连接件四36、下端夹紧支腿一37、夹紧安装板四38、夹紧气动肌肉四39、夹紧安装板五40、夹紧气动肌肉五41、夹紧安装板六42、夹紧气动肌肉六43、计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46、气压电压转换电路47、开关阀一48、开关阀二49、开关阀三50、开关阀四51、比例压力阀一52、比例压力阀二53、比例压力阀三54、比例压力阀四55、消声器56、消声罐57、压力传感器一58、压力传感器二59、压力传感器三60、压力传感器四61、保压气罐62、气动三联体63、开关阀五64、开关阀六65、开关阀七66、开关阀八67、开关阀九68、开关阀十69、开关阀十一70、开关阀十二71。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人系统包括:上端y方向夹紧系统1、夹紧气动肌肉一2、上端x方向夹紧系统3、蠕动气动肌肉一4、蠕动气动肌肉二5、支腿四6、支腿一上半段7、支腿一8、蠕动气动肌肉三9、蠕动气动肌肉四10、支腿一下半段11、下端夹紧系统12、夹紧气动肌肉二13、被爬杆14、爬升系统15、支腿三16、支腿二17、气动肌肉支撑板一18、夹紧连接件二19、夹紧板一20、夹紧连接件一21、夹紧安装板一22、夹紧安装板二23、皮带连接件一24、皮带25、皮带轮26、支腿固定板27、气动肌肉安装板28、支腿支撑板29、皮带连接件二30、气动肌肉支撑板二31、夹紧连接件三32、夹紧板二33、夹紧安装板三34、夹紧气动肌肉三35、夹紧连接件四36、下端夹紧支腿一37、夹紧安装板四38、夹紧气动肌肉四39、夹紧安装板五40、夹紧气动肌肉五41、夹紧安装板六42、夹紧气动肌肉六43、计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46、气压电压转换电路47、开关阀一48、开关阀二49、开关阀三50、开关阀四51、比例压力阀一52、比例压力阀二53、比例压力阀三54、比例压力阀四55、消声器56、消声罐57、压力传感器一58、压力传感器二59、压力传感器三60、压力传感器四61、保压气罐62、气动三联体63、开关阀五64、开关阀六65、开关阀七66、开关阀八67、开关阀九68、开关阀十69、开关阀十一70、开关阀十二71。

其中系统可以分为4个部分:上端y方向夹紧系统1、上端x方向夹紧系统3、下端夹紧系统12、爬升系统15。

以上端y方向夹紧系统1为例说明夹紧系统的固定和连接方式,如图2所示,夹紧安装板一22、夹紧安装板二23之间通过螺栓连接,两者之间的距离可以根据被爬杆14进行调整，夹紧连接件二19、夹紧连接件一21分别通过螺栓与夹紧安装板一22固定连接,夹紧板一20的中部通过销轴与夹紧连接件二19可转动连接,气动肌肉支撑板一18通过螺栓与夹紧连接件一21固定连接,夹紧气动肌肉一2一端通过螺纹与气动肌肉支撑板一18固定连接，一端与夹紧板一20可转动连接；

夹紧安装板二23一侧的夹紧系统与夹紧安装板一22夹紧系统相同。

如图1所示，爬升系统3包括支腿四6、支腿一8、支腿三16、支腿二17共四根支腿,四根支腿的机械结构一样，其中支腿一8与支腿三16长度相等,其上端与上端y方向夹紧系统1相连,支腿四6与支腿二17长度相等,其上端与上端x方向夹紧系统3相连。

以支腿一8为例说明单根支腿的固定和连接方式,如图3所示,支腿一8包括支腿一上半段7、支腿一下半段11,支腿一上半段7与支腿一下半段11完全相同；其中,支腿固定板27通过螺栓与夹紧安装板一22固定连接，支腿固定板27与支腿支撑板29之间为固定连接，气动肌肉安装板28与支腿支撑板29之间为固定连接，两根对拉气动肌肉蠕动气动肌肉一4、蠕动气动肌肉二5的一端通过螺纹与支腿支撑板29固定连接，蠕动气动肌肉一4、蠕动气动肌肉二5的另一端分别通过皮带连接件一24、皮带连接件二30与皮带25固定连接，皮带轮26与支腿支撑板29之间为固定连接，支腿一上半段7与支腿一下半段11之间为可转动连接，支腿一下半段11主要由蠕动气动肌肉三9、蠕动气动肌肉四10驱动。

如图4所示，下端夹紧系统12包括夹紧安装板三34、夹紧安装板四38、夹紧安装板五40、夹紧安装板六42、夹紧气动肌肉三35、夹紧气动肌肉四39、夹紧气动肌肉五41、夹紧气动肌肉六43，这四个夹紧气动肌肉和夹紧安装板的连接方法相同；以下端夹紧支腿一37为例说明其夹紧气动肌肉和夹紧安装板的连接和安装方式：夹紧连接件三32、夹紧连接件四36同时与夹紧安装板三34、夹紧安装板四38固定连接，夹紧连接件三32、夹紧连接件四36同时具有夹紧连接件二19、夹紧板一20、夹紧连接件一21支撑作用，另外还有连接夹紧安装板三34、夹紧安装板四38的作用；夹紧连接件三32通过气动肌肉支撑板二31与夹紧气动肌肉三35固定连接，夹紧连接件四36与夹紧板二33的中部可转动连接，其工作原理与上端y方向夹紧系统1相同。

如图4和图2所示，夹紧安装板三34、夹紧安装板四38、夹紧安装板五40、夹紧安装板六42为等角度的弧形形状，连接在一起形成圆形安装板，且上端y方向夹紧系统1、上端x方向夹紧系统2和下端夹紧系统12的夹紧槽均为圆形。

图4中的下端夹紧系统12也可以替换为下端y方向夹紧系统和下端x方向夹紧系统，且下端y方向夹紧系统和下端x方向夹紧系统固定连接，且相互垂直布置；下端y方向夹紧系统与上端y方向夹紧系统1结构相同，下端x方向夹紧系统与上端x方向夹紧系统2相同；下端y方向夹紧系统通过支腿一8和支腿三17与上端y方向夹紧系统1相连，下端x方向夹紧系统通过支腿二17和支腿四6与上端x方向夹紧系统2相连。

以上端y方向夹紧系统1、支腿一8、支腿三16和下端夹紧系统12为例说明基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人的控制系统，该系统还包括计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46、气压电压转换电路47、保压气罐62、气动三联体63，所述的上端y方向夹紧系统1、支腿一8、支腿三16和下端夹紧系统12的控制系统还包括开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55、压力传感器二59、压力传感器四61；

压力传感器二59、压力传感器四61分别一端连接在蠕动气动肌肉二5、蠕动气动肌肉四10上，另一端通过气压电压转换电路47、数据采集卡与计算机相连；

计算机44、数据采集卡45、隔离与放大电路46依次相连，开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55均与隔离与放大电路46相连，气动三联体63、保压气罐62相连，保压气罐62的出口与开关阀一48、开关阀三50、开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68、开关阀十一68、比例压力阀二53、比例压力阀四55相连，开关阀一48与夹紧气动肌肉一2相连，开关阀三50与夹紧气动肌肉二13相连，比例压力阀二53与蠕动气动肌肉二5相连，比例压力阀四55与蠕动气动肌肉四10相连，开关阀五64与夹紧气动肌肉三35相连，开关阀六66与夹紧气动肌肉四39相连，开关阀五68与夹紧气动肌肉五41相连，开关阀六70与夹紧气动肌肉六43相连；

将气动三联体63的进气口连接气源,高压气体通过气动三联体63进入保压气罐62，打开计算机44和vc++编写的控制程序,输入需要控制的量,数据采集卡45输出的模拟量经过隔离与放大电路46驱动开关阀一48和开关阀三50控制高压气体从保压气罐62给夹紧气动肌肉一2和夹紧气动肌肉二13充气,夹紧气动肌肉一2和夹紧气动肌肉二13收缩带动夹紧板一和夹紧板二转动，并使夹紧板一和夹紧板二的下端夹紧被爬杆；其次，经过隔离与放大电路46驱动比例压力阀二53，控制高压气体从保压气罐62给蠕动气动肌肉二5充气，蠕动气动肌肉二5收缩,带动支腿一上半段7转动,与蠕动气动肌肉二5相连的压力传感器二59实时测量其内部气体压力,经过气压电压转换电路47转换为电压信号反馈给数据采集卡45,进一步反馈给计算机44，通过计算机计算可以算出支腿一上半段7相对于支腿一下半段11转过的角度，从而实现支腿一上半段7的蠕动，带动支腿一下半段11摆动，进而带动下端夹紧系统12向上提升；再次，经过隔离与放大电路46驱动开关阀五64、开关阀七66、开关阀九68和开关阀十一68，控制高压气体从保压气罐62给夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43充气，夹紧气动肌肉三35、四39、五41、六43收缩带动相应的夹紧板转动，并使夹紧板的下端夹紧被爬杆，此时，通过数据采集卡45、隔离与放大电路46控制开关阀二49、开关阀四51即可完成放气,消声器56、消声罐57在开关阀放气过程中起到消声的作用；再次，经过隔离与放大电路46驱动比例压力阀四55，控制高压气体从保压气罐62给蠕动气动肌肉四10充气，蠕动气动肌肉四10收缩带动支腿一下半段11往相反方向转动，带动支腿一上半段7摆动，并推动上端y方向夹紧系统1上升，再继续使上端y方向夹紧系统1夹紧；

支腿三17的控制与运动过程与支腿一8相同；

所述的上端x方向夹紧系统2以及与其相连的支腿二17、支腿四6、下端夹紧系统12的控制系统与所述的上端y方向夹紧系统1、支腿一8、支腿三17和下端夹紧系统12的控制系统相同，控制和运动过程也相同，且两者同步运动；

重复上述过程，即实现基于气动肌肉多自由度仿人爬杆机器人的爬杆；

当下降时，控制与运动过程与爬升的控制与运动过程相反。

本发明,通过控制各仿人支腿的气动肌肉,实现多自由度仿人爬杆机器人位姿的控制,可以爬升规则和不规则的杆状物,并且可以实现精确的控制,本发明拥有其他气动肌肉仿人爬杆机器人无法比拟的优势。

以上所述的实施例,只是本发明较优选的具体实施方式中的一种,本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。