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一種繩牽引和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的多自由度仿生機(jī)械手的制作方法

文檔序號(hào):9227182閱讀:1320來(lái)源:國(guó)知局
一種繩牽引和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的多自由度仿生機(jī)械手的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機(jī)械手技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種繩牽引和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的多自由度仿生機(jī)械手。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的機(jī)械手,其驅(qū)動(dòng)方式大多為電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng),通常自由度較少、體積較大、笨重、且不具備柔順性,這些缺陷使其應(yīng)用范圍較窄。
[0003]隨著電子技術(shù)和機(jī)器人仿生學(xué)的不斷發(fā)展,對(duì)于氣動(dòng)肌肉仿生機(jī)械手的研宄越來(lái)越普遍。氣動(dòng)肌肉仿生機(jī)械手具有質(zhì)輕、靈巧的優(yōu)點(diǎn),使其在醫(yī)學(xué)、服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,是技術(shù)發(fā)展的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服上述【背景技術(shù)】中的不足,提供一種多自由度仿生機(jī)械手,該機(jī)械手具有仿生的基本功能,具有靈巧、安全、體積小、力重比大、易制造、節(jié)能、環(huán)保、柔順的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種繩牽引和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的多自由度仿生機(jī)械手,其特征在于:包括機(jī)械手機(jī)構(gòu)、為機(jī)械手機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的人工肌肉系統(tǒng)、將動(dòng)力傳遞給機(jī)械手機(jī)構(gòu)的繩牽引系統(tǒng)以及控制人工肌肉系統(tǒng)動(dòng)作的氣路回路控制系統(tǒng);
[0006]所述機(jī)械手機(jī)構(gòu)包括一端可活動(dòng)地定位在固定支架上,另一端和虎克鉸一連接的旋轉(zhuǎn)支架、與肩關(guān)節(jié)相連接的機(jī)械上臂、通過(guò)肘關(guān)節(jié)可活動(dòng)地定位在機(jī)械上臂的機(jī)械下臂、通過(guò)腕關(guān)節(jié)一和腕關(guān)節(jié)二可活動(dòng)地定位在機(jī)械下臂的手組件以及可活動(dòng)地并聯(lián)定位在手組件的手掌上的五根手指;
[0007]所述人工肌肉系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)械上臂的第一氣動(dòng)肌肉、第二氣動(dòng)肌肉,驅(qū)動(dòng)機(jī)械下臂的第三氣動(dòng)肌肉,驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)一、腕關(guān)節(jié)二、五根手指的一組第四氣動(dòng)肌肉;
[0008]所述繩牽引系統(tǒng)包括分別用于牽引旋轉(zhuǎn)支架、腕關(guān)節(jié)一、腕關(guān)節(jié)二及五根手指運(yùn)動(dòng)的若干繩子。
[0009]作為優(yōu)選,所述旋轉(zhuǎn)支架的一端通過(guò)軸承可活動(dòng)地定位在固定支架上,所述肩關(guān)節(jié)和虎克鉸一固定在一起,并通過(guò)虎克鉸一可活動(dòng)地定位在旋轉(zhuǎn)支架的另一端;所述機(jī)械上臂的一端連接肩關(guān)節(jié),另一端通過(guò)虎克鉸二可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接肘關(guān)節(jié)。
[0010]作為優(yōu)選,所述第一氣動(dòng)肌肉的一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在固定支架上,另一端連接繩子,通過(guò)繩子的牽引來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架的旋轉(zhuǎn)滑輪,使旋轉(zhuǎn)支架繞滑輪軸線實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng);所述第二氣動(dòng)肌肉的一端定位在旋轉(zhuǎn)支架的圓盤(pán)42-1上,另一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)虎克鉸一來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)以及機(jī)械上臂的前后屈伸和左右收展兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
[0011]作為優(yōu)選,所述機(jī)械下臂的一端固定在肘關(guān)節(jié)上,另一端通過(guò)腕關(guān)節(jié)一和腕關(guān)節(jié)二連接手掌;所述第四氣動(dòng)肌肉一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在肌肉固定架的一端,另一端連接繩子,在繩子的牽引下來(lái)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)一的左右旋轉(zhuǎn)和腕關(guān)節(jié)二的上下抬升兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
[0012]作為優(yōu)選,所述第三氣動(dòng)肌肉的一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在肩關(guān)節(jié)上,另一端通過(guò)虎克鉸二驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的前后伸展和左右旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
[0013]作為優(yōu)選,所述手掌通過(guò)腕關(guān)節(jié)軸二可轉(zhuǎn)動(dòng)地與支撐座連接,支撐座通過(guò)腕關(guān)節(jié)軸一可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在手腕上。
[0014]作為優(yōu)選,所述五個(gè)手指中的拇指、食指、中指、無(wú)名指和小指各自由若干個(gè)指節(jié)通過(guò)手指軸鉸接形成,并且各手指通過(guò)根部的手指軸一可轉(zhuǎn)動(dòng)地并聯(lián)鉸接在手掌上,同一手指中,手指軸一的軸線和其它手指軸的軸線垂直;
[0015]所述五個(gè)手指中,拇指的手指軸一的軸線和手掌的上下面平行,拇指其它的手指軸軸線和手掌上下面所在的平面垂直。
[0016]作為優(yōu)選,所述指節(jié)的兩個(gè)鉸接端中,其中一個(gè)鉸接端固定一滑輪;每一滑輪上均纏繞一通過(guò)牽引滑輪進(jìn)而驅(qū)使指節(jié)運(yùn)動(dòng)的繩子,該繩子的兩端分別穿過(guò)各指節(jié)中的導(dǎo)絲孔、手掌上的繞線輪、手掌導(dǎo)線孔、手腕以及肌肉固定架的形狀盤(pán)后再分別與相應(yīng)的第四氣動(dòng)肌肉的一端連接,以實(shí)現(xiàn)每根手指三個(gè)自由度的仿生運(yùn)動(dòng)。
[0017]作為優(yōu)選,每根手指的中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)親合,中指節(jié)一端的雙滑輪和遠(yuǎn)指節(jié)一端的遠(yuǎn)滑輪通過(guò)繩子牽引,當(dāng)雙滑輪繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在繩子的牽引下,遠(yuǎn)滑輪也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0018]作為優(yōu)選,所述的肌肉固定架上有兩個(gè)所述形狀盤(pán),兩個(gè)形狀盤(pán)上都有一組小孔,其中一個(gè)盤(pán)上的小孔用來(lái)定位第四氣動(dòng)肌肉,另一盤(pán)上的小孔用來(lái)作為繩子的導(dǎo)向孔。
[0019]本發(fā)明的工作原理是:當(dāng)氣路回路中充入不同量的空氣時(shí),各氣動(dòng)肌肉產(chǎn)生不同的軸向拉力,使得手臂各關(guān)節(jié)發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。手各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)氣動(dòng)肌肉拉動(dòng)繩子,在繩子的牽引下,帶動(dòng)滑輪,使手腕和各手指產(chǎn)生仿生運(yùn)動(dòng)。因此,通過(guò)控制氣動(dòng)肌肉內(nèi)的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),再經(jīng)過(guò)PID的模糊整定,不斷調(diào)節(jié),使機(jī)械手達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:采用氣動(dòng)肌肉、簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)回路控制系統(tǒng),繩牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人體手臂和手的仿生運(yùn)動(dòng)。此外該仿生機(jī)械手具有自由度多、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)器力重比較大、柔順、末端執(zhí)行器靈巧、運(yùn)動(dòng)范圍大等優(yōu)點(diǎn),這些使得它的通用性較強(qiáng),可以在仿生、康復(fù)、服務(wù)、工業(yè)等領(lǐng)域被應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明整體的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0022]圖2為本發(fā)明的部分機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖一;
[0023]圖3為本發(fā)明的部分機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖二 ;
[0024]圖4為本發(fā)明的部分機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖三;
[0025]圖5為本發(fā)明中手組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖一;
[0026]圖6為本發(fā)明中手組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖二 ;
[0027]圖7為本發(fā)明中手指的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0028]圖8為本發(fā)明中手組件的動(dòng)力傳遞關(guān)系示意圖;
[0029]圖9為本發(fā)明的氣路回路控制系統(tǒng)不意圖;
[0030]圖10為本發(fā)明的控制流程圖。
[0031]圖中:1.固定支架、2.第一氣動(dòng)肌肉、3.旋轉(zhuǎn)支架、4.第二氣動(dòng)肌肉、5.虎克鉸一、6.肩關(guān)節(jié)、7.第三氣動(dòng)肌肉、8.機(jī)械上臂、9.虎克鉸二、10.肘關(guān)節(jié)、11.機(jī)械小臂、12.肌肉固定架、13.第四氣動(dòng)肌肉、14.手腕、15.支撐座、16.腕關(guān)節(jié)一、17.腕關(guān)節(jié)二、18.手組件、19.手掌、20.繞線輪、21.拇指、22.食指、23.中指、24.無(wú)名指、25.小指、26.腕關(guān)節(jié)軸二、27.腕關(guān)節(jié)軸一、28.滑輪、29.手指撐板、30.掌骨滑輪、31.手指軸一、32.手指掌骨指節(jié)、33.手指軸二、34.軸承、35.近滑輪、36.近指節(jié)、37.中指節(jié)、38.雙滑輪、39.遠(yuǎn)滑輪、40.遠(yuǎn)指節(jié)、41.旋轉(zhuǎn)滑輪、42.旋轉(zhuǎn)軸、42-1.圓盤(pán)、43繩子、44.導(dǎo)繩孔、45.出繩孔、46.導(dǎo)向孔、47氣源裝置、48.氣動(dòng)三聯(lián)件、49.電磁閥、50.比例壓力閥、51.壓力傳感器、52.氣動(dòng)肌肉、53.角度傳感器、54.關(guān)節(jié)、55.數(shù)據(jù)采集卡、56.計(jì)算機(jī)、57.鉸接軸。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明,但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0033]本發(fā)明所述的氣動(dòng)人工肌肉作為新型機(jī)器人和機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器在各領(lǐng)域應(yīng)用中有很大的潛力。氣動(dòng)肌肉具有高的仿生性,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)使它可以依附在機(jī)械手的結(jié)構(gòu)內(nèi);它緊密度高、強(qiáng)度大、力重比大的性能使它可以像生物肌肉一樣對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)動(dòng)力;它依靠空氣的作用使其體積發(fā)生膨脹來(lái)產(chǎn)生拉力,這使機(jī)械手具有安全性和柔順性,同時(shí)以空氣作為介質(zhì),有利于節(jié)能和環(huán)保。所以,可以利用氣動(dòng)肌肉來(lái)直接驅(qū)動(dòng)或間接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。
[0034]如圖1所示,本發(fā)明包括機(jī)械手機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的人工肌肉系統(tǒng)、對(duì)人工肌肉系統(tǒng)進(jìn)行氣體傳送從而控制人工肌肉系統(tǒng)動(dòng)作的氣路回路控制系統(tǒng)、將人工肌肉系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞給機(jī)械手機(jī)構(gòu)的繩牽弓I系統(tǒng)。
[0035]機(jī)械手機(jī)構(gòu)中:機(jī)械上臂8通過(guò)鉸接軸57直接定位在肩關(guān)節(jié)6上,機(jī)械下臂11通過(guò)肘關(guān)節(jié)10可活動(dòng)地定位在機(jī)械上臂8上,手組件18通過(guò)腕關(guān)節(jié)一 16、腕關(guān)節(jié)二 17可活動(dòng)地定位在機(jī)械下臂上,手組件包括手掌19、拇指、食指、中指、無(wú)名指和小指,五個(gè)手指可活動(dòng)地并聯(lián)定位在手掌19上。
[0036]固定支架I通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸42和旋轉(zhuǎn)支架3相連;旋轉(zhuǎn)支架通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和虎克鉸一 5相連;肩關(guān)節(jié)和虎克鉸一是固定的,機(jī)械上臂通過(guò)鉸接軸直接和肩關(guān)節(jié)連接,機(jī)械上臂的另一端通過(guò)虎克鉸二可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接肘關(guān)節(jié);機(jī)械下臂的一端固定在肘關(guān)節(jié)上,另一端通過(guò)腕關(guān)節(jié)一和手腕14連接,手腕14通過(guò)手腕軸一 27和支撐座15連接;手掌通過(guò)手腕軸二 26可轉(zhuǎn)動(dòng)地和腕關(guān)節(jié)二連接。
[0037]所述五個(gè)手指結(jié)構(gòu)相同,各自由若干個(gè)指節(jié)通過(guò)手指軸鉸接形成,并且各手指通過(guò)根部的手指軸一 31可轉(zhuǎn)動(dòng)地并聯(lián)鉸接在手掌上。以小指為例(參見(jiàn)圖7):手指掌骨指節(jié)32、手指近指節(jié)36、手指中指節(jié)37、手指遠(yuǎn)指節(jié)40分別通過(guò)手指軸二 33互相軸線平行地鉸接為一體,這些軸線也與手掌面平行(拇指的這些手指軸軸線與手掌面垂直),其中鉸接手指掌骨指節(jié)與手指撐板的手指軸一 31的軸線垂直于鉸接其它指節(jié)手指軸的軸線(拇指該處手指軸的軸線平行于手掌面),手指撐板29固定在手掌上。
[0038]由圖7可見(jiàn):手指撐板的一端通過(guò)手指軸一與手指掌骨指節(jié)32的一端鉸接在一起(其中手指撐板和手指軸一之間裝有軸承34,手指軸一中點(diǎn)固定著掌骨
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