气压驱动仿生柔性机械臂的设计

气压驱动仿生柔性机械臂的设计

王春成1  吴起军2  杨会云3

1. 浙江科瑞普电气有限公司  浙江 温州  325600
2. 瑞睿电气（浙江）有限公司  浙江 温州  325604
3. 浙江诚通电力科技有限公司  浙江 温州  325600

摘要：

多自由度柔性机器人凭借其优越的安全性与灵活性逐渐进入现代化的工业生产与人类生活中，其主要结构常由柔性材料构成。现提出了一种气压驱动仿生柔性机械臂的设计，不同于常见的柔性机器人，其采用多关节构造，不同关节间采用不同方向的铰链布局，以此实现机械臂在不同方向的弯曲运动；多关节间的协调变形可以实现机械臂的伸缩运动。驱动部分采用电磁阀控制的气缸，利用气体的可压缩性实现部分柔性。机械臂末端安装气动机械手爪，从而使其能够实现物体的安全抓取。

关键词：仿生机器人;柔性机械臂;气动机械手爪;

区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料，根据响应的物理量暂时分为几类：电场、压力、磁场、光、温度、化学反应。仿生机器人的设计与制作涉及材料学、力学等多种学科，同时还与3D打印技术、传感技术及智能新型材料驱动等先进技术相结合，逐渐成为国内外机器人领域的研究热点之一。

1运动学建模

相比于刚性机械臂，柔性机械臂的运动学具有数学描述复杂、非线性强、逆解多解性等难题，解决这些问题的前提是建立柔性机械臂的运动学模型.本节简要介绍了柔性机械臂的运动学建模方法，引用了介绍相关方法的文献.柔性机械臂的柔性杆常被假设为广义欧拉-伯努利梁,在此基础上，学者们提出了一系列运动学建模方法，包括曲率法、伪刚体运动学(Pseudo-Rigid Body, PRB)、基于Cosserat杆的运动学建模、结构几何分析、Denavit-Hartenberg(D-H)表示法及坐标法，以及机器学习及数据驱动方法.

1.1曲率法

在连续体机械臂的运动学建模中，常基于恒定曲率假设来简化模型.常曲率常被认为是连续体机器人的理想几何特性，可以有效简化运动学建模.恒定曲率假设不能完全描述柔性机械臂的运动学，可变曲率假设虽然可以更准确地描述连续体机械臂的运动学，但其过程更加复杂.包括复杂的矩阵计算、奇点问题、不可伸缩性以及在某些情况下无法找到数值解等.

1.2伪刚体运动学(PRB)模型及基于Cosserat杆 的运动学模型

连续体机械臂在运动过程中会连续变形，而学者们已经建立了运动学模型来描述柔性体的弹性变形.基于柔性体静力学中的伪刚体理论，PRB模型先将机械臂的柔性连杆近似为由传统的旋转关节、万向节关节或球形关节连接的刚性连杆，然后将柔性机械臂简化成由n个关节连接的n+1个均匀间隔的刚性连杆。

2整体结构设计

本项目设计了一种基于视觉识别的柔性机械臂机器人，以树莓派(Raspberry Pi4 Computer, Model B 4GB RAM)作为核心模块进行控制，通过履带运动的方式实现抓取。以Open CV为框架开发的CNN神经网络算法系统，通过6自由度机械爪代替人工采摘，不但在机械结构和识别算法上具有自主创新性，而且可以通过双目摄像头及二自由度云台来判断不同类型抓取对象，并用柔性机械爪进行精准抓取。

3 硬件设计

3.1 履带移动小车部分

该履带移动小车由两侧的动力履带、4个摆臂履带和车架平台连接而成。小车的动力来源由4个减速电机提供，减速电机由12 V铅蓄电池供电，其运动形式由主控制板控制，能够实现前进、后退及转弯行走等功能。本小车的4个摆臂履带发挥着重要的作用，可以轻松通过土块石头等障碍物，具有良好的适应性。

3.2 机械臂部分

该采摘机器人的机械臂采用6自由度机械臂，其应用广泛，具有灵敏度高、运动范围大、兼容性强等特点，基本可以实现360°无死角运行。该机械臂由步进电机控制，可以提高机械臂的精度，从而提高工作效率。

该机器人的机械爪采用柔性三爪，它与刚性机械爪相比具有高切合性、高稳定性及高可靠性等优势。该柔性机械爪的自身重量548 g, 抓取范围为10～150 mm, 抓取重量大约为3 kg, 控制电压为12～24 V,抓取频率40次每分钟，可抓取圆柱、圆球、条形、长方、易碎、易损等物品。

4柔性机械臂驱动设计

4.1 常用驱动方式比较

4.1.1 电机驱动方式

电机驱动是利用各种电机产生的力或转矩直接驱动关节，或者通过诸如减速的机构来驱动机器人的关节，以完成所需的位置、速度、加速度或其他指标。该方式具有环保、整洁、控制方便、运动精度高、维护成本低和驱动效率高的优点。使用的电机有4种类型：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和线性电机。

4.1.2 液压驱动方式

液压驱动器使用液体作为介质来传递力，并使用液压泵使液压系统产生的压力来驱动执行器运动。液压驱动模式是成熟的驱动模式，它具有易于控制的压力和流量、高刚性、不可压缩的液压油、简单稳定的调速、方便的操作和控制以及广泛的无级调速（调速范围高达2 000:1）等特点，并且使用较小的驱动力或扭矩便可获得更大的动力。然而，由于流体流动阻力、温度变化、杂质、泄漏等的影响，工件的稳定性和定位精度不准确，并且还会造成环境污染，增加了维护技术要求。

4.2 弯曲与伸缩关节的驱动

本文研究设计的仿生柔性机械臂要求结构简单紧凑、便于携带、易于拆卸，且对位置和速度精度要求较高。综合以上3种驱动方式的优缺点，结合仿生柔性机械臂的实际情况，本研究选择气动驱动方式。驱动部分主要构成包括气泵、管路、气缸与电磁阀。

气泵，即“空气泵”，从一个封闭空间排除空气或从封闭空间添加空气的一种装置。气泵种类繁多，而本设计只需采用微型气泵即可满足要求。微型气泵是指体积小巧，工作介质为气态，主要用于气体采样、气体循环、真空吸附、真空保压、抽气、打气、增压等的气体输送装置。微型气泵的优点：体积小巧、噪声小、功耗小、易于操作、便于携带、免维护、可24 h连续运转，还允许介质富含水汽。最重要的是，微型气泵是干式、无油的，无须真空泵油或润滑油，所以不会污染工作介质，不会干扰对介质的分析，而且价格相对便宜得多。

为了使结构在抓取重物或受自身重力的影响时不会发生形变、能够恢复原状，需要结构之间是刚性连接，同时驱动部分也要满足在抓取物体时能够使结构弯曲伸缩到达指定位置，在抓取物体后能够使变形部分通过驱动部分恢复原状。因此，设置气缸为驱动部分，当抓取物体时，进气口打开，出气口封闭，由于气缸内部气压比气缸外部气压大，活塞向上运动。当恢复原状时，进气口封闭，出气口打开，活塞由于气缸外部气压大于气缸内部气压而使活塞向下运动。

4.3 回转关节驱动

电机种类繁多，本设计用了较为常见的两种电机进行对比分析，并结合实际情况选出最佳方案。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电机能够直接将数字脉冲信号转化为角位移，所以是理想的执行元件。

根据本次设计的要求，采用两相交流86 mm步进电机。

结论

本文介绍了一种气动仿生柔性机械臂的设计，主体机械臂结构采用多关节构造，不同关节间采用不同方向的铰链布局，以此实现机械臂在不同方向的弯曲运动；多关节间的协调变形可以实现机械臂的伸缩运动。驱动部分采用电磁阀控制的气缸，利用气体的可压缩性实现部分柔性。机械臂末端安装气动机械手爪，从而使其能够实现物体的安全抓取。

参考文献

[1]徐青瑜，刘胜.仿生章鱼爪气动螺旋软体驱动器仿真及实验[J].液压与气动，2020(2):64-70.

[2]吴汉忠.液压驱动的下肢外骨骼机器人的设计与研究[D].上海：东华大学，2021.

[3]高冠阳.欠驱动气动机械手的设计与研究[D].郑州：华北水利水电大学，2021.