一种基于多种模式组合的气压传动机器人系统 专利技术说明

五金工具产品及配附件制造技术1.本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于多种模式组合的气压传动机器人系统。背景技术：2.气动肌肉、气缸作为主要的气动执行元件，在农业、工业、自动化领域被广泛应用。机器人作为一门融合机械、电气、通信等多学科的交叉学科，逐渐取代部分人类的劳动，也逐渐得到各大研究机构的重视。仿生机器人作为机器人的一个分支，由于其外形与人类似，在国际会展、商场服务、迎宾接待具有较强的吸引力，容易被人接受，因此各大企业或者研究机构纷纷研究仿人机器人。3.中国专利cn112171646a、cn113561167a分别设计了拮抗肌形式的气动肌肉直接驱动关节，中间为支撑，气动肌肉均设置在外侧，这样气动肌肉驱动的关节运动方向、输出力的大小、安装位置受气动肌肉外部配合零件的限制，针对上述问题，本技术根据不同的关节实际需要，提出了多种解决方案。4.cn113084788a、cn111761606b、cn113290550a、cn115157313a设计了采用并联气动肌肉的方式，但是其运动范围受到气动肌肉可伸缩长度的限制，其运动范围必然受限。针对上述问题，本技术一种新型柔性元件-气囊式气缸，与直线式气缸组合，既解决了关节运动范围受驱动器的运动范围影响，又保证了关节的柔性。技术实现要素：5.本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于多种模式组合的气压传动机器人系统，本发明具有结构紧凑、刚柔结合、防爆性能好等优点。6.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于多种模式组合的气压传动机器人系统，包括：上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、脚关节、控制系统，上肢关节1包括结构完全相同的左侧上肢关节、右侧上肢关节，左侧上肢关节、右侧上肢关节的末端连接气爪，下肢关节3包括结构完全相同的左下肢3-1、右下肢3-2，脚关节包括结构完全相同的左脚、右脚；左侧上肢关节、右侧上肢关节分别固定连接在腰关节2顶部的左右两侧，左下肢3-1、右下肢3-2分别固定连接在腰关节2下端的左右两侧，左下肢3-1、右下肢3-2分别与下端的左脚、右脚可转动连接，左侧上肢关节、右侧上肢关节、左下肢3-1、右下肢3-2的结构完全相同，上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、脚关节中均安装有气动元件46，气动元件46与控制系统连接。7.具体地，所述的控制系统包括计算机50、数据采集卡49、气压传感器47、位移传感器48，气压传感器47、位移传感器48一端与气动元件46连接，另一端与数据采集卡49连接，数据采集卡49与计算机50双向通讯，气动元件46与数据采集卡49连接。8.具体地，腰关节2中，上端部件一4、上端部件二10、上端部件三11以并联的形式两端分别与中间连接件5、上端连接板9可转动连接，下端部件一6、下端部件二7、下端部件三13以并联的形式两端分别与中间连接件5、下端连接板8可转动连接；9.上端部件一4、上端部件二10、上端部件三11、下端部件一6、下端部件二7、下端部件三13结构完全相同，下端部件三13包括上端的气囊式气缸12与下端的腰关节气缸14，气囊式气缸12与腰关节气缸14固定连接，在中间连接件5上，按上端部件一4、下端部件一6、上端部件三11、下端部件三13、上端部件二10、下端部件二7的顺序，一部件与相邻两部件之间连接成的线段呈60°的夹角；10.左侧上肢关节、右侧上肢关节分别固定连接在上端连接板9的左右两侧，左下肢3-1、右下肢3-2分别固定连接在下端连接板8的左右两侧。11.具体地，左下肢3-1中及左脚中，气动马达21的壳体、转动轴分别与大腿骨24、传动轮三20固定连接，髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18的一端与绳索一19-1固定连接，绳索一19-1穿过传动轮三20，另一端与绳索二19-2固定连接，绳索二19-2穿过传动轮二16、传动轮一15、传动轮四23。传动轮二16、传动轮四23均与传动轮一15相互垂直，且均与大腿骨24可转动连接。髋关节连接轴22下端与传动轮一15固定连接，上端与腰关节2下端固定连接。12.侧面连接板29一端与大腿骨24可转动连接，另一端与小腿骨一36固定连接。连杆一27两端分别与中间连接件一26、大腿骨24可转动连接，连杆二28两端分别与中间连接件一26、侧面连接板29可转动连接，连杆三31两端分别与中间连接件二33、大腿骨24可转动连接，连杆四34两端分别与中间连接件二33、侧面连接板29可转动连接，左侧四杆机构32包括连杆一27、连杆二28、连杆三31、连杆四34，右侧四杆机构35与左侧四杆机构32结构完全相同，左侧四杆机构32、右侧四杆机构35在前后之间分别通过中间连接件二33、中间连接件一26连接，膝关节气动肌肉二30一端与腰关节2下端固定连接，另一端与中间连接件二33可转动连接，膝关节气动肌肉一25一端与腰关节2下端固定连接，另一端与中间连接件一26可转动连接；13.小腿骨二37与小腿骨一36固定连接，传动轮五40在x轴方向上与小腿骨二37可转动连接，传动轮六44在y轴方向上与小腿骨二37可转动连接，传动轮五40通过万向节与脚41可转动连接；14.小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39一端均与小腿骨二37固定连接，另一端结合绳索以一组拮抗肌的形式穿过传动轮五40，小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43一端均与小腿骨二37固定连接，另一端结合绳索以一组拮抗肌的形式穿过传动轮六44。15.优选地，所述的位移传感器48为拉线式编码器或旋转式编码器。16.优选地，气囊式气缸12选用festo公司eb系列。17.本发明的有益效果是：18.1.本发明利用直线气缸与气囊式气缸组合，同时兼顾关节的刚性与柔性，避免刚性或者柔性单一导致关节无法适应外部多变的工作环境；19.2.本发明利用气囊式气缸气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；20.3.本发明髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节分别具有1、1、2、1、1、2、3个自由度，可以形象地模拟人的关节的动作，有助于了解每个元件在关节运动中的作用。附图说明21.图1是气压传动机器人系统整体机械结构图；22.图2是气压传动机器人系统腰关节机械结构图；23.图3是气压传动机器人系统双下肢机械结构图；24.图4是气压传动机器人系统单下肢机械结构图；25.图5是气压传动机器人系统髋关节机械结构图；26.图6是气压传动机器人系统膝关节机械结构图；27.图7是气压传动机器人系统踝关节机械结构图；28.图8是气压传动机器人系统的控制系统框图；29.图中：上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、左下肢3-1、右下肢3-2、上端部件一4、中间连接件5、下端部件一6、下端部件二7、下端连接板8、上端连接板9、上端部件二10、上端部件三11、气囊式气缸12、下端部件三13、腰关节气缸14、传动轮一15、传动轮二16、髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18、绳索一19-1、绳索二19-2、传动轮三20、气动马达21、髋关节连接轴22、传动轮四23、大腿骨24、膝关节气动肌肉一25、中间连接件一26、连杆一27、连杆二28、侧面连接板29、膝关节气动肌肉二30、连杆三31、左侧四杆机构32、中间连接件二33、连杆四34、右侧四杆机构35、小腿骨一36、小腿骨二37、小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39、传动轮五40、脚41、小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43、传动轮六44、机器人关节45、气动元件46、气压传感器47、位移传感器48、数据采集卡49、计算机50。具体实施方式30.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。31.实施例1：如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种基于多种模式组合的气压传动机器人系统，包括：上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、脚关节、控制系统，上肢关节1包括结构完全相同的左侧上肢关节、右侧上肢关节，左侧上肢关节、右侧上肢关节的末端连接气爪，下肢关节3包括结构完全相同的左下肢3-1、右下肢3-2，脚关节包括结构完全相同的左脚、右脚；左侧上肢关节、右侧上肢关节分别固定连接在腰关节2顶部的左右两侧，左下肢3-1、右下肢3-2分别固定连接在腰关节2下端的左右两侧，左下肢3-1、右下肢3-2分别与下端的左脚、右脚可转动连接，左侧上肢关节、右侧上肢关节、左下肢3-1、右下肢3-2的结构完全相同，上肢关节1、腰关节2、下肢关节3、脚关节中均安装有气动元件46，气动元件46与控制系统连接。32.如图8所示，所述的控制系统包括计算机50、数据采集卡49、气压传感器47、位移传感器48，气压传感器47、位移传感器48一端与气动元件46连接，另一端与数据采集卡49连接，数据采集卡49与计算机50双向通讯，气动元件46与数据采集卡49连接。33.髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节共同构成机器人关节45，机器人关节45的活动由各自内部的气动元件46控制。34.左侧上肢关节、右侧上肢关节、左下肢3-1、右下肢3-2的结构完全相同，因此，下面仅描述左侧腿关节3-1的具体连接结构，肩关节、肘关节、腕关节的结构与运动分别与髋关节、膝关节、踝关节相一致。左侧上肢关节、右侧上肢关节、右下肢3-2的结构与左侧腿关节3-1的结构、工作原理都完全相同，就不再详细说明。35.如图2所示，上端部件一4、上端部件二10、上端部件三11以并联的形式两端分别与中间连接件5、上端连接板9可转动连接，下端部件一6、下端部件二7、下端部件三13以并联的形式两端分别与中间连接件5、下端连接板8可转动连接。36.上端部件一4、上端部件二10、上端部件三11、下端部件一6、下端部件二7、下端部件三13结构完全相同，以下端部件三13结构为例，包括上端的气囊式气缸12与下端的腰关节气缸14，气囊式气缸12与腰关节气缸14固定连接，在中间连接件5上，按上端部件一4、下端部件一6、上端部件三11、下端部件三13、上端部件二10、下端部件二7的顺序，一部件与相邻两部件之间连接成的线段呈60°的夹角。上端部件一4、下端部件一6、上端部件三11、下端部件三13、上端部件二10、下端部件二7一起驱动中间连接件5、上端连接板9、下端连接板8之间沿z轴移动与绕x轴、y轴转动。37.如图3、4、5、6、7所示，左下肢3-1、右下肢3-2均与下端连接板8连接。气动马达21的壳体、转动轴分别与大腿骨24、传动轮三20固定连接，髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18的一端与绳索一19-1固定连接，绳索一19-1穿过传动轮三20，另一端与绳索二19-2固定连接，绳索二19-2穿过传动轮二16、传动轮一15、传动轮四23。传动轮二16、传动轮四23均与传动轮一15相互垂直，且均与大腿骨24可转动连接。髋关节连接轴22下端与传动轮一15固定连接，上端与腰关节2下端固定连接。38.工作模式一：气动马达21保压保持不转动，传动轮三20起固定髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18的作用，髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18以一组拮抗肌的形式驱动下端连接板8、大腿骨24之间绕z轴相对转动。工作模式二：气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18处于等压模式，此刻气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18与绳索一19-1、绳索二19-2融为一体，仅传动气动马达21的运动，驱动下端连接板8、大腿骨24之间绕z轴相对转动。工作模式三：气动马达21、气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18均处于工作状态，一起驱动下端连接板8、大腿骨24之间绕z轴相对转动。39.侧面连接板29一端与大腿骨24可转动连接，另一端与小腿骨一36固定连接。连杆一27两端分别与中间连接件一26、大腿骨24可转动连接，连杆二28两端分别与中间连接件一26、侧面连接板29可转动连接，连杆三31两端分别与中间连接件二33、大腿骨24可转动连接，连杆四34两端分别与中间连接件二33、侧面连接板29可转动连接。左侧四杆机构32包括连杆一27、连杆二28、连杆三31、连杆四34，右侧四杆机构35与左侧四杆机构32结构完全相同，左侧四杆机构32、右侧四杆机构35在前后之间通过中间连接件二33、中间连接件一26连接。膝关节气动肌肉二30一端与下端连接板8固定连接，另一端与中间连接件二33可转动连接，膝关节气动肌肉一25一端与下端连接板8固定连接，另一端与中间连接件一26可转动连接。40.膝关节气动肌肉二30、膝关节气动肌肉一25结合左侧四杆机构32、右侧四杆机构35驱动侧面连接板29、大腿骨24之间绕y轴相对转动。41.小腿骨二37与小腿骨一36固定连接，传动轮五40在x轴方向上与小腿骨二37可转动连接，传动轮六44在y轴方向上与小腿骨二37可转动连接。传动轮五40通过万向节与脚41可转动连接，在初始位置时，万向节的两头分别沿x轴、z轴；传动轮六44通过万向节与脚41可转动连接，在初始位置时，万向节的两头分别沿y轴、z轴。42.小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39一端均与小腿骨二37固定连接，另一端结合绳索以一组拮抗肌的形式穿过传动轮五40，小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43一端均与小腿骨二37固定连接，另一端结合绳索以一组拮抗肌的形式穿过传动轮六44。43.小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39、小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43一起驱动脚41相对于小腿骨二37绕x轴、y轴转动。44.综上可知，气动元件46包括气囊式气缸12、腰关节气缸14、髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18、气动马达21、膝关节气动肌肉一25、膝关节气动肌肉二30、小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39、小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43。为便于安装和实现，髋关节气动肌肉一17、髋关节气动肌肉二18、膝关节气动肌肉一25、膝关节气动肌肉二30、小腿气动肌肉一38、小腿气动肌肉二39、小腿气动肌肉三42、小腿气动肌肉四43优先的选用festo公司的dmsp系列。45.进一步地，考虑到元器件的轻便、可靠、外部干扰小等因素，直线驱动的气动元件46的位移传感器48优先选择拉线式编码器，旋转式驱动的气动元件46的位移传感器48优先旋转式编码器，可根据实际工作情况进行选择。46.进一步地，为减轻系统的重量，同时保证系统的刚度，中间连接件5、下端连接板8、上端连接板9、传动轮一15、传动轮二16、传动轮三20、髋关节连接轴22、传动轮四23、大腿骨24、中间连接件一26、连杆一27、连杆二28、侧面连接板29、连杆三31、中间连接件二33、连杆四34、右侧四杆机构35、小腿骨一36、小腿骨二37、传动轮五40、脚41、传动轮六44的材料为铝合金。47.本发明的工作原理是：如图8所示，计算机50通过数据采集卡49控制气动元件46，其运动组合表现为机器人关节45的运动，每一个气动元件46的状态分别由气压传感器47、位移传感器48检测，气压传感器47、位移传感器48检测到的数据经数据采集卡49反馈给计算机50，计算机50根据数据采集卡49的反馈不断调整发出的指令，最终使机器人关节45的动作与发出的指令一致。48.本发明，通过控制各机器人关节45的气动元件46，实现气压传动机器人位姿的控制，可以动态形象的实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气压传动机器人无法比拟的优势。本发明以气动肌肉与气缸驱动，具有结构紧凑、刚柔结合、防爆性能好的特点，可用于教学演示、会议展览、展会迎宾等服务。49.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。









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