一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂

1.本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂。


背景技术：

2.柔性机械手臂是一种基于仿生学原理由柔性材料构成的气压驱动型软体机械臂，具有高柔顺性、强适应性等特点，且由于柔性机械手臂采用的气动技术具有较强的缓冲特性，其在工业与物流运输业中具体有广阔的应用前景。目前，现有技术中的柔性机械手臂通常由多个气囊构成，每个气囊对应一个气压控制器及气泵来控制气压大小，当气囊数量较少时，会限制其运动灵活度，即运动的自由度，若想要柔性机械手臂具有高度灵活性，通常需要数量巨大的气囊，但同时也需要大量的气压控制器及气泵，将不仅导致柔性机械手臂体积大，还导致气囊气压控制设备体积大且线路连接复杂，限制了柔性机械手臂的发展。基于此，本发明提供了一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，通过模块化多通道气动控制装置实现了对柔性机械手臂的气压调控。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，包括柔性机械手臂主体及为柔性机械手臂主体提供不同气压控制的气压控制系统；
6.所述柔性机械手臂主体由若干层气囊组叠加而成，且每层气囊组包括至少一个气囊，每个气囊通过管路与气压控制系统连通；
7.所述气压控制系统包括多气室输出模块、设置在多气室输出模块内且用于调节多气室输出模块的输出气压的气室调节模块以及与气室调节模块连通的气泵模块；
8.所述多气室输出模块包括若干层从上至下依次叠加的环形输出气室组，且每层输出气室组包括至少一个输出气室，每个输出气室通过管路与单个气囊相连通；
9.所述气室调节模块包括调节气室、控制调节气室转动的旋转组件以及控制调节气室升降的升降组件，所述气泵模块与调节气室连通，通过旋转组件及升降组件能够调整调节气室的角度及高度使调节气室与输出气室对接以调节输出气室的气压。
10.进一步地，所述多气室输出模块的顶部及底部分别设置有上固定板及下固定板，若干层输出气室组紧密堆叠在上固定板与下固定板之间，且上固定板与下固定板之间通过若干根围绕输出气室组外圈的连接柱固定连接。
11.进一步地，每层所述输出气室组包括具有空腔的环形密封壳体，且环形密封壳体内设置有若干个隔板将每层输出气室组分隔为若干个独立的输出气室；
12.每个所述输出气室的内壁均设置第一进气孔及第一排气孔，每个所述输出气室的外壁均设置有气流输出孔，且每个所述输出气室内且靠近内壁的一侧设置有分别控制第一
进气孔及第一排气孔开启或关闭的第一单向阀。
13.进一步地，每个所述输出气室内均设置有气体流量计及第一压力传感器，所述气体流量计设置于输出气室内靠近气流输出孔的一侧，所述第一压力传感器设置于输出气室的内顶面或内底面。
14.进一步地，所述调节气室为具有空腔的圆形密封壳体，且圆形密封壳体通过中间隔断将调节气室分隔相互独立的第一气室及第二气室；
15.所述第一气室及第二气室的一侧分别设置有能够与第一进气孔及第一排气孔相配合的第二进气孔及第二排气孔，且所述第一气室及第二气室内设置有分别控制第二进气孔及第二排气孔开启或关闭的第二单向阀，所述第一气室及第二气室的顶部且远离第二单向阀的一侧分别通过管路与气泵模块的第一气泵及第二气泵连通。
16.进一步地，所述调节气室的第一气室及第二气室内均设置有第二压力传感器。
17.进一步地，所述旋转组件包括旋转电机及与旋转电机的输出端固定连接的中转轴，所述旋转电机固定安装于下固定板下方，所述中转轴贯穿调节气室的中间隔断且伸出上固定板外，所述旋转电机通过中转轴带动调节气室在多气室输出模块内转动。
18.进一步地，所述升降组件包括直线电机及直线导轴，所述直线电机固定于上固定板顶部一侧，所述直线导轴的一端与调节气室的顶部固定连接，所述直线电机驱动直线导轴带动调节气室在多气室输出模块内沿中转轴升降。
19.进一步地，所述中转轴的两侧沿其长度方向设置有凹槽，所述调节气室的中间隔断设置有与中转轴的凹槽相配合的凸块。
20.进一步地，一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂还包括控制器及电源模块，所述控制器及电源模块均与多气室输出模块、气室调节模块以及气泵模块电连接
21.基于上述一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，本发明还提供一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂的使用方法，包括如下步骤：
22.（1）多气室输出模块内的第一压力传感器检测每个输出气室是否需要压力调控，控制器根据第一压力传感器的检测数据确定需要调节气压的输出气室的层数及角度；
23.（2）控制器通过控制升降组件带动调节气室达到其中一个待调节输出气室的位置，然后通过控制旋转组件带动调节气室转动使调节气室的第二进气孔及第二排气孔与待调节输出气室的第一进气孔及第一排气孔对接；
24.（3）控制器将第一压力传感器检测的待调节输出气室的压力与设定值对比，当检测压力小于设定值时，开启该输出气室的第一进气孔以及调节气室的第二进气孔和第一气泵，对该输出气室进行充气直至该输出气室的检测压力值等于设定值；当检测压力大于设定值时，开启该输出气室的第一排气孔以及调节气室的第二排气孔和第二气泵，对该输出气室进行排气直至该输出气室的检测压力值等于设定值；
25.（4）重复上述步骤（2）、（3）将对所有需要调节气压的输出气室进行压力调节。
26.本发明的有益效果为：
27.（1）本发明所提供的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，将柔性机械手臂的气动控制装置进行模块化设计，通过调节气室及两个气泵即可实现对多个输出气室的不同气压进行调节，不仅减小了柔性机械手臂的体积及气压控制装置的体积，提高了气压控制系统的稳定性，且还降低了成本；
28.（2）本发明所提供的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其气室调节模块中的单向阀与压力传感器能够配合多输出气室模块中的单向阀、压力传感器及流量计，实现对各个输出气室的气压微调及精确控制，即实现对柔性机械手臂的各个气囊的气压微调及精确控制。
附图说明
29.为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的整体结构示意图；
31.图2为气囊组的结构示意图；
32.图3为气压控制系统的结构示意图；
33.图4为输出气室组的结构示意图；
34.图5为图3的剖视图；
35.图6为调节气室的结构示意图；
36.图7为调节气室的剖视图；
37.图8为中转轴的剖视图；
38.图9为本发明的控制关系连接图。
39.图中标注：
40.1.柔性机械手臂主体；11.气囊组；111.气囊；
41.2.多气室输出模块；21.输出气室组；211.输出气室；212.第一进气孔；213.第一排气孔；214.气流输出孔；215.第一单向阀；216.气体流量计；217.第一压力传感器；22.上固定板；23.下固定板；24.连接柱；
42.3.气室调节模块；311.中间隔断；312.第一气室；313.第二气室；314.第二进气孔；315.第二排气孔；316.第二单向阀；317.总进气孔；318.第二压力传感器；32.旋转组件；321.旋转电机；322.中转轴；33.升降组件；331.直线电机；332.直线导轴；
43.4.气泵模块；41.第一气泵；42.第二气泵；
44.5.机械夹爪。
具体实施方式
45.本发明提供了一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.下面结合附图对本发明进行详细说明：
47.参照图1-7，本实施例提供一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，包括柔性机械手臂主体1及为柔性机械手臂主体1提供不同气压控制的气压控制系统，且所述气压控制系统包括多气室输出模块2、设置在多气室输出模块2内且用于调节多气室输出模块的输出气压的气室调节模块3以及与气室调节模块连通的气泵模块4，气泵模块4包括第一
气泵41及第二气泵42。
48.具体地，参照图1及图2，上述柔性机械手臂主体1的端部设置有机械夹爪5，该柔性机械手臂主体1主要用于控制机械夹爪5的角度及高度。上述柔性机械手臂主体1由若干层气囊组11叠加而成，且相邻2个气囊组11之间通过粘贴方式固定连接；每层气囊组11包括6个独立的扇形气囊111，且每个气囊111的内侧均设置有进气口并通过管路与气压控制系统2连通。另外，上述柔性机械手臂主体1中，其中下部的气囊组为圆柱形，其中上部的气囊组为具有倾斜面的圆柱形，使柔性机械手臂的中上部具有一定的弯曲度，以便于控制机械夹爪的角度。
49.具体地，参照图3，上述多气室输出模块2包括若干层从上至下依次叠加的环形输出气室组21，且多气室输出模块2的顶部及底部分别设置有上固定板22及下固定板23，若干层输出气室组21紧密堆叠在上固定板22与下固定板23之间，且上固定板22与下固定板23之间通过若干根围绕输出气室组外圈的连接柱24固定连接。
50.参照图4，每层上述输出气室组21包括具有空腔的环形密封壳体，且环形密封壳体内设置有6个隔板将每层输出气室组分隔为6个独立的扇形输出气室211。其中，每个输出气室211的内壁均设置第一进气孔212及第一排气孔213，每个输出气室211的外壁均设置有气流输出孔214，每个输出气室211通过气流输出孔214及管路与单个气囊111相连通；且每个输出气室211内且靠近内壁的一侧设置有分别控制第一进气孔及第一排气孔开启或关闭的第一单向阀215；另外，每个输出气室211内均设置有气体流量计216及第一压力传感器217，且气体流量计216设置于输出气室内靠近气流输出孔214的一侧，第一压力传感器217设置于输出气室211的内顶面或内底面。
51.具体地，参照图5-8，上述气室调节模块3包括调节气室、控制调节气室转动的旋转组件32以及控制调节气室升降的升降组件33，且气泵模块4与调节气室连通，通过旋转组件32及升降组件33能够调整调节气室的角度及高度使调节气室与输出气室211对接以调节输出气室211的气压，进而调节气囊的气压。
52.其中，上述调节气室为具有空腔的圆形密封壳体，且圆形密封壳体通过中间隔断311将调节气室分隔相互独立的第一气室312及第二气室313；上述第一气室312及第二气室313的一侧分别设置有能够与第一进气孔212及第一排气孔213相配合的第二进气孔314及第二排气孔315，且第一气室312及第二气室313内设置有分别控制第二进气孔及第二排气孔开启或关闭的第二单向阀316，第一气室312及第二气室313的顶部且远离第二单向阀的一侧均设置有总进气孔317且第一气室312及第二气室313的总进气孔317分别通过管路与气泵模块4的第一气泵41及第二气泵42连通；另外，上述调节气室的第一气室312及第二气室313内均设置有第二压力传感器318，第二压力传感器318位于第一气室312及第二气室313内远离第二单向阀316的一侧。
53.上述旋转组件32包括旋转电机321及与旋转电机321的输出端固定连接的中转轴322，旋转电机321固定安装于下固定板23下方，中转轴322贯穿调节气室的中间隔断311且伸出上固定板22外，且上述中转轴322的两侧沿其长度方向设置有凹槽，上述调节气室的中间隔断311设置有与中转轴322的凹槽相配合的凸块，上述旋转电机321通过中转轴322能够带动调节气室在多气室输出模块2的中心空腔内转动。
54.上述升降组件33包括直线电机331及直线导轴332，直线电机331固定于上固定板
22顶部一侧，直线导轴332的一端与调节气室的顶部固定连接，上述直线电机331能够驱动直线导轴332带动调节气室在多气室输出模块2的中心空腔内沿中转轴322升降。
55.另外，参照图9，本实施例所提供的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂还包括控制器及电源模块，通过电源模块为多气室输出模块、气室调节模块以及气泵模块供电，且控制器内设置有mcu单元，上述mcu单元具体通过继电器与第一单向阀及第二单向阀电连接，以控制第一单向阀及第二单向阀的开启或关闭；上述mcu单元具体通过adc转换器与第一压力传感器、第二压力传感器、气体流量计电连接，以接收第一压力传感器、第二压力传感器的检测压力及气体流量计所检测气体流量；上述mcu单元还与直线电机及旋转电机电连接，以分别控制直线电机及旋转电机带动调节气室升降及转动使调节气室与输出气室对接。
56.根据上述一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，能够实现对柔性机械手臂的不同气囊进行压力调控，以调节柔性机械手臂的高度及角度。且需要说明的是，为实现本发明，还需要在控制器内预先设定有柔性机械手臂的高度、角度与气囊位置的对应关系及相应的控制算法，在对柔性机械手臂的高度及角度进行调节前，控制器能够根据待调节的高度及角度预先计算待调节气囊的位置，即判断相对应的待调节气压的输出气室的层数及角度，这样当需要调节柔性机械手臂的高度及角度时，只需调整根据计算结果得出的待调节气囊的压力即可，无需对全部气囊进行调整。其具体使用方法如下：
57.（1）多气室输出模块内的第一压力传感器检测每个输出气室的气压，并将所检测的压力数据输送至控制器，控制器根据第一压力传感器的检测压力数据与设定值进行对比，确定输出气室是否需要进行压力调控，如第一压力传感器的检测压力数据与设定值不相等，则需要压力调控，并确定需要调节气压的输出气室的层数及角度；
58.（2）控制器通过控制升降组件带动调节气室达到其中一个待调节输出气室的位置，然后通过控制旋转组件带动调节气室转动使调节气室的第二进气孔及第二排气孔与待调节输出气室的第一进气孔及第一排气孔对接；
59.（3）控制器将第一压力传感器检测的待调节输出气室的压力与设定值对比，当检测压力小于设定值时，开启该输出气室的第一进气孔以及调节气室的第二进气孔和第一气泵，对该输出气室进行充气直至该输出气室的检测压力值等于设定值；当检测压力大于设定值时，开启该输出气室的第一排气孔以及调节气室的第二排气孔和第二气泵，对该输出气室进行排气直至该输出气室的检测压力值等于设定值；
60.（4）重复上述步骤（2）、（3）将对所有需要调节气压的输出气室进行压力调节。
61.另外，在上述步骤（3）中，在进行充气及排气操作时，可预先根据调节气室内的第二压力传感器所检测的压力数据调节第二单向阀的开口大小，使调节气室的压力预先达到设定值，然后再向输出气室充气或排气。
62.另外，在上述步骤（3）中，在进行充气及排气操作时，还通过输出气室的气体流量计与第一单向阀相配合，控制充气及排气的速度。
63.需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
64.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，包括柔性机械手臂主体及为柔性机械手臂主体提供不同气压控制的气压控制系统；所述柔性机械手臂主体由若干层气囊组叠加而成，且每层气囊组包括至少一个气囊，每个气囊通过管路与气压控制系统连通；所述气压控制系统包括多气室输出模块、设置在多气室输出模块内且用于调节多气室输出模块的输出气压的气室调节模块以及与气室调节模块连通的气泵模块；所述多气室输出模块包括若干层从上至下依次叠加的环形输出气室组，且每层输出气室组包括至少一个输出气室，每个输出气室通过管路与单个气囊相连通；所述气室调节模块包括调节气室、控制调节气室转动的旋转组件以及控制调节气室升降的升降组件，所述气泵模块与调节气室连通，通过旋转组件及升降组件能够调整调节气室的角度及高度使调节气室与输出气室对接以调节输出气室的气压。2.根据权利要求1所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，所述多气室输出模块的顶部及底部分别设置有上固定板及下固定板，若干层输出气室组紧密堆叠在上固定板与下固定板之间，且上固定板与下固定板之间通过若干根围绕输出气室组外圈的连接柱固定连接。3.根据权利要求1所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，每层所述输出气室组包括具有空腔的环形密封壳体，且环形密封壳体内设置有若干个隔板将每层输出气室组分隔为若干个独立的输出气室；每个所述输出气室的内壁均设置第一进气孔及第一排气孔，每个所述输出气室的外壁均设置有气流输出孔，且每个所述输出气室内且靠近内壁的一侧设置有分别控制第一进气孔及第一排气孔开启或关闭的第一单向阀。4.根据权利要求3所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，每个所述输出气室内均设置有气体流量计及第一压力传感器，所述气体流量计设置于输出气室内靠近气流输出孔的一侧，所述第一压力传感器设置于输出气室的内顶面或内底面。5.根据权利要求1所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，所述调节气室为具有空腔的圆形密封壳体，且圆形密封壳体通过中间隔断将调节气室分隔相互独立的第一气室及第二气室；所述第一气室及第二气室的一侧分别设置有能够与第一进气孔及第一排气孔相配合的第二进气孔及第二排气孔，且所述第一气室及第二气室内设置有分别控制第二进气孔及第二排气孔开启或关闭的第二单向阀，所述第一气室及第二气室的顶部且远离第二单向阀的一侧分别通过管路与气泵模块的第一气泵及第二气泵连通。6.根据权利要求5所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，所述调节气室的第一气室及第二气室内均设置有第二压力传感器。7.根据权利要求5所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，所述旋转组件包括旋转电机及与旋转电机的输出端固定连接的中转轴，所述旋转电机固定安装于下固定板下方，所述中转轴贯穿调节气室的中间隔断且伸出上固定板外，所述旋转电机通过中转轴带动调节气室在多气室输出模块内转动。8.根据权利要求7所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在
于，所述升降组件包括直线电机及直线导轴，所述直线电机固定于上固定板顶部一侧，所述直线导轴的一端与调节气室的顶部固定连接，所述直线电机驱动直线导轴带动调节气室在多气室输出模块内沿中转轴升降。9.根据权利要求7所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，所述中转轴的两侧沿其长度方向设置有凹槽，所述调节气室的中间隔断设置有与中转轴的凹槽相配合的凸块。10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，其特征在于，还包括控制器及电源模块，所述控制器及电源模块均与多气室输出模块、气室调节模块以及气泵模块电连接。

技术总结
本发明公开了一种基于模块化多通道气动控制的柔性机械手臂，包括柔性机械手臂主体及气压控制系统；所述柔性机械手臂主体由若干层气囊组叠加而成，每层气囊组包括至少一个气囊，每个气囊通过管路与气压控制系统连通；所述气压控制系统包括多气室输出模块、设置在多气室输出模块内的气室调节模块以及与气室调节模块连通的气泵模块，且所述多气室输出模块包括若干个输出气室。本发明将柔性机械手臂的气动控制装置进行模块化设计，通过气室调节模块及气泵模块即可实现对多气室输出模块每个输出气室的气压进行调节，不仅减小了柔性机械手臂的体积及气压控制装置的体积，提高了气压控制系统的运行效率和稳定性，且还降低了成本。本。本。


技术研发人员：蒋红琰 汪磊 程峰 房殿军 张卫东 王平 钱锡峰 牛刘敏 魏久焱
受保护的技术使用者：无锡学院
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/14