CN106737570B - 液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂及其驱动方法。微型机械臂在医疗、救援、军事等领域都起着十分重要的作用。液压驱动的微型机械臂响应速度慢，仿生肌肉驱动的微型机械臂驱动力较小。本发明包括机座、壳体、执行臂、微型编码器、关节、仿生肌肉气囊、进油比例阀、进油接头、高压油管、低压油管和出油比例阀。本发明以液压驱动为主要驱动方式，以仿真肌肉驱动为辅助驱动方式，在获得较大驱动力的同时，提高了微型机械臂的响应速度。此外，本发明对每一个机械臂单元单独进行控制，能够实现机械臂的精确控制。
Description
技术领域
本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂及其驱动方法。
背景技术
随着计算机通信技术的不断进步，人们对机器人的要求不断提高。在医疗、救援、军事等领域，小型机器人有着其独特的优势。“快、准、狠”是人们对机器人的通用标准，其中“快”指的是响应快速，“准”指的是运行稳定精准，“狠”指的是机器人驱动力大，强度可靠。在医疗领域，手术机器人的需求越来越大。外科手术特别是神经外科手术，对医生的操作水平有很高的要求。而精准、持久的手术机器人的使用在一定程度上降低了对医生操作水平的要求，使得外科手术得到了长足的发展。在救援领域，小型机器人在狭小空间的优势也能起到巨大的作用。
目前，微型机械臂有液压驱动、气压驱动、电机驱动、机械驱动、仿生肌肉驱动等驱动方式。液压驱动是利用液压油传递压力和能量，其优点是驱动力大，但由于油箱与机械臂的距离较远，其响应速度较慢；气压驱动是利用气体传递压力和能量，由于介质本身的可压缩性，其驱动力较小；电机驱动的体积较大，成本较高；机械驱动，由于其运行轨迹固定，难以满足复杂的生产需要。仿生肌肉驱动的模型尚不完善，且驱动力较小。
专利号为CN201420841973.3号的实用新型专利中公开了“一种多自由度液压式机械臂”，这种机械臂是用液压缸完成直线运动，摆动油缸实现转动。由于摆动油缸重量较大，这种驱动方式难以用于微型机械臂的驱动。
专利号为CN201510311779.3号的发明专利中公开了“一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂”，这种机械臂采用多种人工肌肉联合驱动，模拟了人手的内部结构，但其机构复杂，各类模块体积较大且驱动力较小，不适宜用在微型机械臂领域。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种以液压驱动为主要驱动方式，通过仿生肌肉驱动加快响应速度的微型机械臂；本发明的另一个目的是提供该微型机械臂的驱动方法。
本发明液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，包括机座、壳体、执行臂、微型编码器、关节、仿生肌肉气囊、进油比例阀、进油接头、高压油管、低压油管和出油比例阀。所述壳体的主体呈内部中空且两端封闭的圆柱状，壳体共有n个，2≤n≤6；n个壳体依次首尾相连，即前一级壳体的后端内侧与后一级壳体的前端内侧构成转动副；第一级壳体的前端与机座固定，最后一级壳体的后端内侧与执行臂的前端内侧构成转动副；相连的两个壳体之间以及最后一级壳体与执行臂之间均设有关节。每个壳体的后端均固定有微型编码器，微型编码器的输入轴与对应壳体转动副位置的铰接轴固定。所述的微型编码器均为绝对型编码器。所述壳体的内腔作为油腔；油腔壁上固定有一个仿生肌肉气囊。壳体的侧面固定有进油接头，进油接头连通进油比例阀的出油口与壳体油腔的进油口，进油比例阀的进油口与高压油管连通。液压泵将油箱里的液压油打入高压油管。
所述的关节包括膨胀油管、复位弹簧和出油接头；所述的膨胀油管设置在相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂之间；膨胀油管的进油口与靠近机座侧的壳体内的油腔出油口连通。所述的出油接头连通膨胀油管的出油口与出油比例阀的进油口；出油比例阀的出油口与低压油管连通，低压油管回油至油箱。相连的壳体的相对面通过对应关节的复位弹簧连接，最后一级壳体与执行臂的相对面通过对应关节的复位弹簧连接。
所述的进油接头设置在壳体靠前端位置。
所述的出油接头固定在膨胀油管的出油口处。
所述的仿生肌肉气囊的材料采用电活性聚合物。
所述膨胀油管的进油口所在侧粘在壳体后端面。
所述的膨胀油管放置在壳体后端面开设的凹槽内，凹槽与后一级壳体或执行臂的相对面形成由内侧至外侧逐渐缩小的容腔。
所述的仿生肌肉气囊、进油比例阀、出油比例阀均由控制器驱动控制，控制器采用型号为STM32F107的单片机；微型编码器与控制器相连。
所述的进油比例阀和出油比例阀均为派克汉尼汾中国有限公司的VSO系列比例阀。
该液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂的驱动方法，具体如下：
相连的两个壳体轴线之间的当前夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的当前夹角分别由一个微型编码器检测。
若某一当前夹角小于对应的预设夹角，则该当前夹角需要增大，对应关节前端的壳体上的进油比例阀打开，高压油管内的液压油进入该壳体的油腔，油腔内液压油压力升高，对应关节的膨胀油管内压力随壳体的油腔内压力的升高而升高，膨胀油管胀大，从而使相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂相对转动；同时，该壳体内的仿生肌肉气囊按100～300立方毫米每毫秒的膨胀速度膨胀，液压油压力升高的速度加快，使膨胀油管胀大速度加快，从而使相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂相对转动的速度加快；夹角增大到预设夹角时，仿生肌肉气囊按5～15立方毫米每毫秒的收缩速度收缩到膨胀前的状态，高压油管内的液压油进入该壳体油腔的速度与仿生肌肉气囊的收缩速度相等。然后关闭进油比例阀。
若某一当前夹角大于对应的预设夹角，则该当前夹角需要减小，对应关节上的出油比例阀打开，液压油从关节流出到低压油管，关节的膨胀油管内液压油的压力降低，膨胀油管缩小。相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂在复位弹簧的拉动下相对转动，夹角减小。当夹角减小到预设夹角时，关闭出油比例阀。
所述的仿生肌肉气囊、进油比例阀、出油比例阀均由控制器驱动控制，微型编码器与控制器相连。将执行臂末端所需到达的位置坐标输入控制器，控制器根据位置坐标计算出各对相连的两个壳体轴线之间的预设夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的预设夹角；控制器根据微型编码器传回的信号分别记录下各对相连的两个壳体轴线之间的当前夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的当前夹角。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明以液压驱动为主要驱动方式，驱动力较大。
2、本发明对每一个机械臂单元单独进行控制，能够实现***的精确控制。
3、本发明采用仿生肌肉驱动作为辅助驱动方式，加快了机械臂的响应速度。
4、本发明结构简单，整体重量较小。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是本发明的控制原理图；
图3是本发明在仿生肌肉气囊膨胀状态下的剖视图；
图4是本发明关节部分的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，包括机座1、壳体2、执行臂3、微型编码器4、关节5、仿生肌肉气囊6、进油比例阀7、控制器8、进油接头9、高压油管10、低压油管11和出油比例阀12；仿生肌肉气囊6的材料采用电活性聚合物。壳体2主体呈内部中空且两端封闭的圆柱状，壳体2共有两个；前一级壳体2的后端内侧与后一级壳体2的前端内侧构成转动副；前一级壳体2的前端与机座1固定，机座1成法兰状。后一级壳体2的后端内侧与执行臂3的前端内侧构成转动副；执行臂3的后端成法兰状；两个壳体2之间以及壳体2与执行臂3之间均设有关节5。壳体2的后端固定有微型编码器4，微型编码器4的输入轴与对应壳体2转动副位置的铰接轴固定，微型编码器4均为绝对型编码器。
如图2和3所示，壳体2的内腔作为油腔；油腔壁上固定有一个仿生肌肉气囊6，仿生肌肉气囊6的信号线穿出壳体2与控制器8相连。壳体2的侧面靠前端位置固定有进油接头9，进油接头9连通进油比例阀7的出油口与壳体2油腔的进油口；进油比例阀7的进油口与高压油管10连通，进油比例阀7的信号线与控制器8相连。液压泵将油箱里的液压油打入高压油管10。
如图4所示，关节5包括膨胀油管5-1、复位弹簧5-2和出油接头5-3；膨胀油管5-1设置在两个壳体2或壳体2与执行臂3之间；膨胀油管5-1的进油口所在侧粘在壳体2后端面，或放置在壳体2后端面开设的凹槽内；凹槽与相邻壳体2或执行臂3的相对面形成由内侧至外侧逐渐缩小的容腔；膨胀油管5-1的进油口与靠近机座1侧壳体2的油腔出油口连通。出油接头5-3固定在膨胀油管5-1的出油口处，并连通膨胀油管5-1的出油口与出油比例阀12的进油口；出油比例阀12的出油口与低压油管11连通，出油比例阀12的信号线与控制器8相连；低压油管11回油至油箱。两个壳体2的相对面通过对应关节的复位弹簧5-2连接，位于末端的壳体2与执行臂3的相对面通过对应关节的复位弹簧5-2连接。
进油比例阀7和出油比例阀12均为派克汉尼汾中国有限公司的VSO系列比例阀。
该液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂的驱动方法，具体如下：
将执行臂3末端所需到达的位置坐标输入控制器8，控制器8根据位置坐标计算出两个壳体2轴线之间的预设夹角及位于末端的壳体2与执行臂3轴线之间的预设夹角；控制器8根据两个微型编码器传回的信号分别记录下两个壳体2轴线之间的当前夹角及位于末端的壳体2与执行臂3轴线之间的当前夹角。
若某一当前夹角小于对应的预设夹角，则该当前夹角需要增大，控制器控制对应关节5前端的壳体2上的进油比例阀7打开，高压油管10内的液压油进入该壳体2的油腔，油腔内液压油压力升高，对应关节5的膨胀油管5-1内压力随壳体2的油腔内压力的升高而升高，膨胀油管5-1胀大，从而使相连的两个壳体2或壳体2与执行臂3相对转动；同时，控制器控制该壳体2内的仿生肌肉气囊6按180立方毫米每毫秒的膨胀速度膨胀，液压油压力升高的速度加快，使膨胀油管5-1胀大速度加快，从而使相连的两个壳体2或壳体2与执行臂3相对转动的速度加快；夹角增大到预设夹角时，仿生肌肉气囊6按10立方毫米每毫秒的收缩速度收缩到膨胀前的状态，高压油管10内的液压油进入该壳体2油腔的速度与仿生肌肉气囊6的收缩速度相等。然后关闭进油比例阀7。
若某一当前夹角大于对应的预设夹角，则该当前夹角需要减小，控制器控制对应关节5上的出油比例阀打开，液压油从关节5流出到低压油管11，关节5的膨胀油管5-1内液压油的压力降低，膨胀油管5-1缩小。相连的两个壳体2或壳体2与执行臂3在复位弹簧5-2的拉动下相对转动，夹角减小。当夹角减小到预设夹角时，关闭出油比例阀12。
Claims (9)
1.液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，包括机座、壳体、执行臂、微型编码器、关节、仿生肌肉气囊、进油比例阀、进油接头、高压油管、低压油管和出油比例阀；其特征在于：所述壳体的主体呈内部中空且两端封闭的圆柱状，壳体共有n个，2≤n≤6；n个壳体依次首尾相连，即前一级壳体的后端内侧与后一级壳体的前端内侧构成转动副；第一级壳体的前端与机座固定，最后一级壳体的后端内侧与执行臂的前端内侧构成转动副；相连的两个壳体之间以及最后一级壳体与执行臂之间均设有关节；每个壳体的后端均固定有微型编码器，微型编码器的输入轴与对应壳体转动副位置的铰接轴固定；所述的微型编码器均为绝对型编码器；所述壳体的内腔作为油腔；油腔壁上固定有一个仿生肌肉气囊；壳体的侧面固定有进油接头，进油接头连通进油比例阀的出油口与壳体油腔的进油口，进油比例阀的进油口与高压油管连通；液压泵将油箱里的液压油打入高压油管；
所述的关节包括膨胀油管、复位弹簧和出油接头；所述的膨胀油管设置在相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂之间；膨胀油管的进油口与靠近机座侧的壳体内的油腔出油口连通；所述的出油接头连通膨胀油管的出油口与出油比例阀的进油口；出油比例阀的出油口与低压油管连通，低压油管回油至油箱；相连的壳体的相对面通过对应关节的复位弹簧连接，最后一级壳体与执行臂的相对面通过对应关节的复位弹簧连接。
2.根据权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述的进油接头设置在壳体靠前端位置。
3.根据权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述的出油接头固定在膨胀油管的出油口处。
4.根据权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述的仿生肌肉气囊的材料采用电活性聚合物。
5.根据权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述膨胀油管的进油口所在侧粘在壳体后端面。
6.根据权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述的仿生肌肉气囊、进油比例阀、出油比例阀均由控制器驱动控制，控制器采用型号为STM32F107的单片机；微型编码器与控制器相连。
7.根据权利要求1或6所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂，其特征在于：所述的进油比例阀和出油比例阀均为派克汉尼汾中国有限公司的VSO系列比例阀。
8.如权利要求1所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂的驱动方法，其特征在于：该方法具体如下：相连的两个壳体轴线之间的当前夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的当前夹角分别由一个微型编码器检测；
若某一当前夹角小于对应的预设夹角，则该当前夹角需要增大，对应关节前端的壳体上的进油比例阀打开，高压油管内的液压油进入该壳体的油腔，油腔内液压油压力升高，对应关节的膨胀油管内压力随壳体的油腔内压力的升高而升高，膨胀油管胀大，从而使相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂相对转动；同时，该壳体内的仿生肌肉气囊按100～300立方毫米每毫秒的膨胀速度膨胀，液压油压力升高的速度加快，使膨胀油管胀大速度加快，从而使相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂相对转动的速度加快；夹角增大到预设夹角时，仿生肌肉气囊按5～15立方毫米每毫秒的收缩速度收缩到膨胀前的状态，高压油管内的液压油进入该壳体油腔的速度与仿生肌肉气囊的收缩速度相等；然后关闭进油比例阀；
若某一当前夹角大于对应的预设夹角，则该当前夹角需要减小，对应关节上的出油比例阀打开，液压油从关节流出到低压油管，关节的膨胀油管内液压油的压力降低，膨胀油管缩小；相连的两个壳体或最后一级壳体与执行臂在复位弹簧的拉动下相对转动，夹角减小；当夹角减小到预设夹角时，关闭出油比例阀。
9.如权利要求8所述的液压与仿生肌肉共同驱动的微型机械臂的驱动方法，其特征在于：所述的仿生肌肉气囊、进油比例阀、出油比例阀均由控制器驱动控制，微型编码器与控制器相连；将执行臂末端所需到达的位置坐标输入控制器，控制器根据位置坐标计算出各对相连的两个壳体轴线之间的预设夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的预设夹角；控制器根据微型编码器传回的信号分别记录下各对相连的两个壳体轴线之间的当前夹角及最后一级壳体与执行臂轴线之间的当前夹角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201110 Address after: 310012 room 2603, building 8, No. 2, xiyuanba Road, Sandun Town, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee after: HANGZHOU ZHUILIE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310018 Xiasha Higher Education Park No. 2 street Patentee before: HANGZHOU DIANZI University |
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Effective date of registration: 20201211 Address after: 241100 8 / F, building 5, Wuhu TONGHANG Innovation Park, Wanbi Town, Wuhu City, Anhui Province Patentee after: Wuhu Digital Information Industrial Park Co.,Ltd. Address before: Room 2603, building 8, No.2, Xiyuan 8th Road, Sandun Town, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee before: HANGZHOU ZHUILIE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Application publication date: 20170531 Assignee: Hangzhou ludai Technology Co.,Ltd. Assignor: Wuhu Digital Information Industrial Park Co.,Ltd. Contract record no.: X2021330000096 Denomination of invention: Micro manipulator driven by hydraulic pressure and bionic muscle and its driving method Granted publication date: 20190122 License type: Common License Record date: 20210819 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Hangzhou ludai Technology Co.,Ltd. Assignor: Wuhu Digital Information Industrial Park Co.,Ltd. Contract record no.: X2021330000096 Date of cancellation: 20230104 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |