CN107943124A - 一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，其包括采用气动人工肌肉驱动的主关节***以及采用水压人工肌肉驱动的从关节***；且所述主关节***的位置电压信号能够反馈到从关节***的输入端以使得从关节***跟踪所述位置电压信号进行相应的位置转角动作，同时所述从关节***的力矩电压信号能够反馈到主关节***的输入端以使得主关节***跟踪所述力矩电压信号进行动作。本发明工作时能够与海水环境兼容，环保无污染，主从控制可实现水压机械臂跟随操作者手臂同步运动，操作简单；同时能够将从动水压人工肌肉关节的受力反馈给主动气动人工肌肉关节，使操作人员对人工肌肉关节的受力有直观感受。

Description

一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***

技术领域

本发明涉及主从遥控机器臂、特种作业机械手以及深海作业装备等领域，具体的说是涉及一种应用于深海环境中主从式遥控作业机械手。

背景技术

在深海进行作业时，潜水员受到潜水深度的限制，要完成在大深度水下作业，一般需要采用远程遥控水下机器人(ROV)完成任务。现阶段ROV搭载的水下机械臂为油压驱动，其存在海水向内渗漏使其易受水下环境污染，严重影响其使用寿命，油液向外渗漏则污染海洋环境，自身笨重且需要油箱和压力补偿装置，不利于实现轻型化和小型化等弊端。另外，还需要操作者通过遥控器的操纵杆对机械臂进行控制。采用这种操作方式控制多自由度机械臂时，存在诸多不便，如控制多自由度机械臂对操纵杆的结构和操作人员的技术要求极高；另外，当机械手抓住目标物后，操作者并没有相对应的受力感受，也会影响操作者的控制精度。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，该***工作时能够与海水环境兼容，环保无污染，主从控制可实现水压机械臂跟随操作者手臂同步运动，操作简单；同时能够将从动水压人工肌肉关节的受力反馈给主动气动人工肌肉关节，使操作人员对人工肌肉关节的受力有直观感受。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，其特征在于：

包括采用气动人工肌肉驱动的主关节***以及采用水压人工肌肉驱动的从关节***；且所述主关节***的位置电压信号能够反馈到从关节***的输入端以使得从关节***跟踪所述位置电压信号进行相应的位置转角动作，同时所述从关节***的力矩电压信号能够反馈到主关节***的输入端以使得主关节***跟踪所述力矩电压信号进行动作。

基于上述方案，进一步的优选例，

所述主关节***包括第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第一减压阀、第二减压阀、第一气动人工肌肉拉力传感器、第二气动人工肌肉拉力传感器、气压源、气动人工肌肉初始电压控制器、气动人工肌肉PID控制器、气动人工肌肉机械关节的关节轮、气动人工肌肉传动丝、反馈气动人工肌肉比较器、第一气动人工肌肉偏置电压比较器、第二气动人工肌肉偏置电压比较器、气动人工肌肉拉力比较器、气动人工肌肉机架以及气动人工肌肉关节支撑杆；其中，所述第一气动人工肌肉拉力传感器用以检测第一气动人工肌肉的拉力值；所述第二气动人工肌肉拉力传感器用以检测第二气动人工肌肉的拉力值；所述反馈气动人工肌肉比较器用以比较气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号的差值并将所获得的差值输入至所述气动人工肌肉PID控制器；其中，气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号通过第一气动人工肌肉的力矩电压信号减去第二气动人工肌肉的力矩电压信号得到，所述第一气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第一气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到，所述第二气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第二气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到；所述第二气动人工肌肉偏置电压比较器用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器输出的电压信号之和并将计算结果输入至第一减压阀；所述第一气动人工肌肉偏置电压比较器用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器输出的电压信号之差并将计算结果输入至第二减压阀。

基于上述方案，进一步的优选例，

所述从关节***包括第一水压人工肌肉、第二水压人工肌肉、第一比例节流阀、第二比例节流阀、第一水压人工肌肉拉力传感器、第二水压人工肌肉拉力传感器、第一固定液阻、第二固定液阻、液压源、水压人工肌肉偏置电压电路、水压人工肌肉PID控制器、水压人工肌肉机械关节的关节轮、从关节增益电路、水压人工肌肉传动丝、反馈水压人工肌肉比较器、第一水压人工肌肉偏置电压比较器、第二水压人工肌肉偏置电压比较器、水压人工肌肉拉力比较器、水压人工肌肉机架以及水压人工肌肉关节支撑杆；其中，所述第一水压人工肌肉拉力传感器用以检测第一水压人工肌肉的拉力值；所述第二水压人工肌肉拉力传感器用以检测第二水压人工肌肉的拉力值；所述水压人工肌肉拉力比较器用以比较计算第一水压人工肌肉的拉力值与第二水压人工肌肉的拉力值的差值以作为水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号；所述反馈水压人工肌肉比较器用以比较计算气动人工肌肉关节***反馈的位置电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的位置电压信号的差值并输入至水压人工肌肉PID控制器；所述水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号输入至第一水压人工肌肉偏置电压比较器；所述第一水压人工肌肉偏置电压比较器用以比较计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的差值并将所计算出的差值输入至第一比例节流阀；所述第二水压人工肌肉偏置电压比较器用以计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的加和值并将所计算出的加和值输入至第二比例节流阀。

与现有技术相比、本发明的有益效果：

1、本发明所述***对应的水压人工肌肉与海水环境兼容、海水可直接作为水压人工肌肉的液压源、无需要油箱和压力补偿装置、大大简化水下装置、结构紧凑；

2、本发明所述***对应的水压人工肌肉无传统液压机构的伸缩杆、不存在动密封、不会出现海水向内泄漏、影响设备使用寿命、同时不会存在内部油液外泄污染环境等问题；

3、本发明将气动人工肌肉关节的转角反馈信号作为水压人工肌肉关节的输入信号、实现位置的主从控制、有利于操作人员对水压人工肌肉的控制；

4、本发明将水压人工肌肉关节的力矩反馈信号作为气动人工肌肉关节的输入信号、实现力矩的主从控制、可使操作人员感受到对水压人工肌肉关节的受力。

附图说明

图1为带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***；

图中：1、第一水压人工肌肉，2、第二水压人工肌肉，3、第一比例节流阀，4、第二比例节流阀，5、第一水压人工肌肉拉力传感器，6、第二水压人工肌肉拉力传感器，7、第一固定液阻，8、第二固定液阻，9、液压源，10、水压人工肌肉偏置电压，11、水压人工肌肉PID控制器，12、水压人工肌肉机械关节的关节轮，13、第一气动人工肌肉，14、第二气动人工肌肉，15、第一减压阀，16、第二减压阀，17、第一气动人工肌肉拉力传感器，18、第二气动人工肌肉拉力传感器，19、气压源，20、气动人工肌肉初始电压控制器，21、气动人工肌肉PID控制器，22、气动人工肌肉机械关节的关节轮，23、从关节增益电路，24、水压人工肌肉传动丝，25、气动人工肌肉传动丝，26、水压人工肌肉机架，27、气动人工肌肉机架，28、水压人工肌肉关节支撑杆，29、气动人工肌肉关节支撑杆，30、反馈水压人工肌肉比较器，31、第一水压人工肌肉偏置电压比较器，32、第二水压人工肌肉偏置电压比较器，33、水压人工肌肉拉力比较器，34、反馈气动人工肌肉比较器，35、第一气动人工肌肉偏置电压比较器，36、第二气动人工肌肉偏置电压比较器，37、气动人工肌肉拉力比较器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、下面将结合本发明实施例中的附图、对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述、显然、所描述的实施例是本发明一部分实施例、而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例、本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例、都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***、其特征在于：包括主关节***和从关节***两大部分、主关节***采用气动人工肌肉驱动、从关节***采用水压人工肌肉驱动；

所述主关节***包括第一气动人工肌肉13、第二气动人工肌肉14、第一减压阀15、第二减压阀16、第一气动人工肌肉拉力传感器17、第二气动人工肌肉拉力传感器18、气压源19、气动人工肌肉初始电压控制器20、气动人工肌肉PID控制器21、气动人工肌肉机械关节的关节轮22、气动人工肌肉传动丝25、反馈气动人工肌肉比较器34、第一气动人工肌肉偏置电压比较器35、第二气动人工肌肉偏置电压比较器36、气动人工肌肉拉力比较器37、气动人工肌肉机架27以及气动人工肌肉关节支撑杆29；

其中，所述气压源19与第一减压阀15的进口、第二减压阀16的进口相连、进而使得第一减压阀15、第二减压阀16并联连接；所述第一减压阀15的出口与第一气动人工肌肉13相连；所述第二减压阀16的出口与第二气动人工肌肉14相连；所述第一气动人工肌肉13一端与气动人工肌肉传动丝25一端相连、所述气动人工肌肉传动丝25另一端与气动人工肌肉机械关节的关节轮22相连；所述第二气动人工肌肉14上端与气动人工肌肉传动丝25一端相连、所述气动人工肌肉传动丝25另一端与气动人工肌肉机械关节22相连；第一气动人工肌肉13一端与第一气动人工肌肉拉力传感器17相连、所述第一气动人工肌肉拉力传感器17与气动人工肌肉机架27相连；所述第二气动人工肌肉14一端与第二气动人工肌肉拉力传感器18相连、所述第二气动人工肌肉拉力传感器18与气动人工肌肉机架27相连；所述气动人工肌肉机械关节的关节轮22的轴与气动人工肌肉关节支撑杆29相连；所述气动人工肌肉关节支撑杆29与气动人工肌肉机架27相连；所述第一气动人工肌肉拉力传感器17用以检测第一气动人工肌肉的拉力值；所述第二气动人工肌肉拉力传感器18用以检测第二气动人工肌肉的拉力值；所述反馈气动人工肌肉比较器34用以比较气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号的差值并将所获得的差值输入至所述气动人工肌肉PID控制器21；其中，气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号通过第一气动人工肌肉的力矩电压信号减去第二气动人工肌肉的力矩电压信号得到，所述第一气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第一气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到，所述第二气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第二气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到；所述第二气动人工肌肉偏置电压比较器36用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器20输出的电压信号之和并将计算结果输入至第一减压阀15即使得气动人工肌肉PID控制器21输出的电压信号与气动人工肌肉偏置电压比较器36的电压信号输入第一气动人工肌肉偏置电压比较器35、用气动人工肌肉偏置电压比较器36的电压信号减去气动人工肌肉PID控制器21输出的电压信号、得到的差值电压信号输入第一减压阀15；所述第一气动人工肌肉偏置电压比较器35用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器输出的电压信号之差并将计算结果输入至第二减压阀即使得气动人工肌肉PID控制器21输出的电压信号与气动人工肌肉偏置电压比较器36的电压信号输入第二气动人工肌肉偏置电压比较器36、用气动人工肌肉偏置电压比较器36的电压信号加上气动人工肌肉PID控制器21输出的电压信号、得到的电压信号输入第二减压阀16。

所述从关节***包括第一水压人工肌肉1、第二水压人工肌肉2、第一比例节流阀3、第二比例节流阀4、第一水压人工肌肉拉力传感器5、第二水压人工肌肉拉力传感器6、第一固定液阻7、第二固定液阻8、液压源9、水压人工肌肉偏置电压10、水压人工肌肉PID控制器11、水压人工肌肉机械关节的关节轮12、从关节增益电路23、水压人工肌肉传动丝24、反馈水压人工肌肉比较器30、第一水压人工肌肉偏置电压比较器31、第二水压人工肌肉偏置电压比较器32、水压人工肌肉拉力比较器33、水压人工肌肉机架26、水压人工肌肉关节支撑杆28；其中，所述液压源9与第一比例节流阀3的进口、第二比例节流阀4的进口相连、进而使第一比例节流阀3、第二比例节流阀4并联相连；所述第一比例节流阀3的出口与第一固定液阻7的进口相连以构成增压桥路，所述增压桥路与第一水压人工肌肉1相连；所述第二比例节流阀4的出口与第二固定液阻8的进口相连以构成减压桥路、减压桥路与第二水压人工肌肉2相连；所述第一水压人工肌肉1一端与水压人工肌肉传动丝24一端相连、所述水压人工肌肉传动丝24另一端与水压人工肌肉机械关节的关节轮12相连；所述第二水压人工肌肉2一端与水压人工肌肉传动丝24一端相连、所述水压人工肌肉传动丝24另一端与水压人工肌肉机械关节的关节轮12相连；第一水压人工肌肉1一端与第一水压人工肌肉拉力传感器5相连、所述第一水压人工肌肉拉力传感器5与水压人工肌肉机架26相连；所述第二水压人工肌肉2下端与第二水压人工肌肉拉力传感器6相连、所述第二水压人工肌肉拉力传感器6与水压人工肌肉机架26相连；所述水压人工肌肉机械关节的关节轮12的轴与水压人工肌肉关节支撑杆28相连；所述水压人工肌肉关节支撑杆28与水压人工肌肉机架26相连；其中，所述第一水压人工肌肉拉力传感器5用以检测第一水压人工肌肉的拉力值；所述第二水压人工肌肉拉力传感器6用以检测第二水压人工肌肉的拉力值，第一水压人工肌肉拉力传感器5测得第一水压人工肌肉1的拉力值乘以水压人工肌肉机械关节12的半径得到第一水压人工肌肉1的力矩电压信号；第二水压人工肌肉拉力传感器6测得第二水压人工肌肉2的拉力值乘以水压人工肌肉机械关节的关节轮12的半径得到第二水压人工肌肉2的力矩电压信号；第一水压人工肌肉1的力矩电压信号减去第二水压人工肌肉2的力矩电压信号得到水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号；所述水压人工肌肉拉力比较器用以比较计算第一水压人工肌肉的拉力值与第二水压人工肌肉的拉力值的差值以作为水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号；所述反馈水压人工肌肉比较器用以比较计算气动人工肌肉关节***反馈的位置电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的位置电压信号的差值并输入至水压人工肌肉PID控制器；所述水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号输入至第一水压人工肌肉偏置电压比较器；所述第一水压人工肌肉偏置电压比较器用以比较计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的差值并将所计算出的差值输入至第一比例节流阀；所述第二水压人工肌肉偏置电压比较器用以计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的加和值并将所计算出的加和值输入至第二比例节流阀。

所述***的工作过程为：首先操作人员控制气动人工肌肉机械关节的关节轮22使其有初始转角，这个转角信号作为反馈信号输入水压人工肌肉PID控制器；假设输入的电压为u，经该PID控制器作用后输出Δu＇的电压，将得到的电压信号输入两个比例节流阀，两者的电压分别为uw1＝u+Δu＇；uw2＝u-Δu＇；在比例节流阀与固定液阻的作用下，充入1、2号水压人工肌肉的压力分别为pw1＝pw0+Δp、pw2＝pw0-Δp；则在水压人工肌肉关节驱动后，关节转角位移反馈电压信号与输入电压作差能形成水压人工肌肉的闭环控制，同时两根肌肉下方安装有拉力测试器、记录产生的拉力，两根肌肉产生的力矩Tw＝(Fw1-Fw2)R、将其转化为电压信号作为气动人工肌肉的输入电压以实现气动人工肌肉对水压人工肌肉的力矩跟踪以完成力矩的主从控制；气动人工肌肉与水压人工肌肉的差别只是控制肌肉压力的方式不同，气动人工肌肉采用减压阀控制，当气动人工肌肉控制***输入水压人工肌肉力矩转化的电压信号后，经PID及减压阀控制1、2号气动人工肌肉的压力分别为pp1＝pp0+Δp、pp2＝pp0-Δp；气动人工肌肉产生的力矩Tp＝(Fp1-Fp2)R，转化为电压信号反馈到输入气动人工肌肉的输入端形成气动人工肌肉的闭环控制。同时气动人工肌肉关节转角位移转化为电压信号作为水压人工肌肉的输入电压以实现水压人工肌肉对气动人工肌肉的位置跟踪进而完成位置的主从控制。

以上所述、仅为本发明较佳的具体实施方式、但本发明的保护范围并不局限于此、任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内、根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变、都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，其特征在于：

包括采用气动人工肌肉驱动的主关节***以及采用水压人工肌肉驱动的从关节***；且所述主关节***的位置电压信号能够反馈到从关节***的输入端以使得从关节***跟踪所述位置电压信号进行相应的位置转角动作，同时所述从关节***的力矩电压信号能够反馈到主关节***的输入端以使得主关节***跟踪所述力矩电压信号进行动作。

2.根据权利要求1所述的带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，其特征在于：

所述主关节***包括第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第一减压阀、第二减压阀、第一气动人工肌肉拉力传感器、第二气动人工肌肉拉力传感器、气压源、气动人工肌肉初始电压控制器、气动人工肌肉PID控制器、气动人工肌肉机械关节的关节轮、气动人工肌肉传动丝、反馈气动人工肌肉比较器、第一气动人工肌肉偏置电压比较器、第二气动人工肌肉偏置电压比较器、气动人工肌肉拉力比较器、气动人工肌肉机架以及气动人工肌肉关节支撑杆；其中，所述第一气动人工肌肉拉力传感器用以检测第一气动人工肌肉的拉力值；所述第二气动人工肌肉拉力传感器用以检测第二气动人工肌肉的拉力值；所述反馈气动人工肌肉比较器用以比较气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号的差值并将所获得的差值输入至所述气动人工肌肉PID控制器；其中，气动人工肌肉关节***所对应的力矩电压信号通过第一气动人工肌肉的力矩电压信号减去第二气动人工肌肉的力矩电压信号得到，所述第一气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第一气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到，所述第二气动人工肌肉的力矩电压信号是通过第二气动人工肌肉的拉力值乘以气动人工肌肉机械关节的关节轮半径得到；所述第二气动人工肌肉偏置电压比较器用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器输出的电压信号之和并将计算结果输入至第一减压阀；所述第一气动人工肌肉偏置电压比较器用以计算气动人工肌肉PID控制器输出的电压信号与气动人工肌肉初始电压控制器输出的电压信号之差并将计算结果输入至第二减压阀。

3.根据权利要求1或2所述的带位置/力双向反馈的主从式人工肌肉关节***，其特征在于：

所述从关节***包括第一水压人工肌肉、第二水压人工肌肉、第一比例节流阀、第二比例节流阀、第一水压人工肌肉拉力传感器、第二水压人工肌肉拉力传感器、第一固定液阻、第二固定液阻、液压源、水压人工肌肉偏置电压电路、水压人工肌肉PID控制器、水压人工肌肉机械关节的关节轮、从关节增益电路、水压人工肌肉传动丝、反馈水压人工肌肉比较器、第一水压人工肌肉偏置电压比较器、第二水压人工肌肉偏置电压比较器、水压人工肌肉拉力比较器、水压人工肌肉机架以及水压人工肌肉关节支撑杆；其中，所述第一水压人工肌肉拉力传感器用以检测第一水压人工肌肉的拉力值；所述第二水压人工肌肉拉力传感器用以检测第二水压人工肌肉的拉力值；所述水压人工肌肉拉力比较器用以比较计算第一水压人工肌肉的拉力值与第二水压人工肌肉的拉力值的差值以作为水压人工肌肉关节***反馈的力矩电压信号；所述反馈水压人工肌肉比较器用以比较计算气动人工肌肉关节***反馈的位置电压信号与水压人工肌肉关节***反馈的位置电压信号的差值并输入至水压人工肌肉PID控制器；所述水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号输入至第一水压人工肌肉偏置电压比较器；所述第一水压人工肌肉偏置电压比较器用以比较计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的差值并将所计算出的差值输入至第一比例节流阀；所述第二水压人工肌肉偏置电压比较器用以计算水压人工肌肉PID控制器输出的电压信号与水压人工肌肉偏置电压输出的电压信号的加和值并将所计算出的加和值输入至第二比例节流阀。