本發(fā)明屬于機(jī)器人關(guān)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)構(gòu)相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有誤差小、精度高、剛度大、反解易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)專(zhuān)利201410140825.3以三根均勻分布的氣動(dòng)肌肉外加一個(gè)氣缸在中間作為支撐，可以實(shí)現(xiàn)指定平臺(tái)的升降、橫搖、縱搖，僅能夠?qū)δ骋还潭ㄆ脚_(tái)的控制，并且運(yùn)動(dòng)空間受氣動(dòng)肌肉收縮量和氣缸伸縮量限制，故有較大改進(jìn)空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，提供了一種基于氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，干凈、防爆等。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于氣缸和氣動(dòng)肌肉混聯(lián)關(guān)節(jié)，包括底板2、中間平臺(tái)9、上端平臺(tái)15，氣缸和氣動(dòng)肌肉，所述的底板2和所述的中間平臺(tái)9通過(guò)氣缸連接，所述的中間平臺(tái)9和上端平臺(tái)15也通過(guò)氣缸連接，所述的上端平臺(tái)15和所述的底板2通過(guò)所述的氣動(dòng)肌肉連接。

進(jìn)一步的，所述的底板2和所述的中間平臺(tái)9、所述的中間平臺(tái)9和上端平臺(tái)15的氣缸均為3個(gè)，所述的氣動(dòng)肌肉也3個(gè)。

更進(jìn)一步的，當(dāng)所述的底板2固定、所述的中間平臺(tái)9和所述的上端平臺(tái)15運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部件之間的連接如下：

所述的底板2和所述的中間平臺(tái)9之間的氣缸一端與所述的底板2固定連接，另一端與所述的中間平臺(tái)9可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)中間平臺(tái)9橫搖、縱搖；

所述的中間平臺(tái)9和所述的上端平臺(tái)15之間的氣缸一端與所述的中間平臺(tái)9固定連接，另一端與所述的上端平臺(tái)15可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)所述的上端平臺(tái)15橫搖、縱搖；

所述的氣動(dòng)肌肉8、24、36的兩端分別與所述的底板2和所述的上端平臺(tái)15可轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

更進(jìn)一步的，各部件之間的連接進(jìn)一步為：

所述的底板2和所述的中間平臺(tái)9之間的氣缸7、22、23一端通過(guò)軸承座裝配體與底板2固定連接，另一端通過(guò)固定球鉸與中間平臺(tái)9連接；

所述的中間平臺(tái)9和所述的上端平臺(tái)15之間的氣缸11、18、19一端通過(guò)軸承座裝配體與所述的中間平臺(tái)9固定連接，另一端通過(guò)固定球鉸與所述的上端平臺(tái)15連接；

所述的氣動(dòng)肌肉8、24、36的兩端與所述的底板2和所述的上端平臺(tái)15均通過(guò)連接接頭、固定球鉸連接。

更進(jìn)一步的，所述的軸承座裝配體包括軸承座37、軸承38、氣缸底座40、氣缸連接軸41，所述的氣缸底座40與所述的氣缸底端固定連接，所述的氣缸底座40下端有孔，兩個(gè)所述的軸承38對(duì)稱(chēng)放置在兩個(gè)所述的軸承座37上，所述的氣缸連接軸41穿過(guò)所述的氣缸底座40下端的孔，并對(duì)稱(chēng)地穿過(guò)兩個(gè)所述的軸承38，將所述的氣缸底座40、氣缸連接軸41、軸承座37和軸承38裝配在一起，所述的軸承座37通過(guò)螺栓與所述的底板2或所述的中間固定平臺(tái)13固定連接。

一種控制如上述所述的氣缸和氣動(dòng)肌肉混聯(lián)關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)，其還包括消聲器42、消聲罐43、高速開(kāi)關(guān)閥閥組44、pwm波形發(fā)生器45、數(shù)據(jù)采集卡46、計(jì)算機(jī)47、氣動(dòng)三聯(lián)體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51；

所述的氣動(dòng)三聯(lián)體48、所述的保壓罐49、所述的高速開(kāi)關(guān)閥閥組44進(jìn)氣開(kāi)關(guān)閥、所述的氣缸和氣動(dòng)肌肉、所述的高速開(kāi)關(guān)閥閥組44排氣開(kāi)關(guān)閥、所述的消聲罐43、所述的消聲器42順次連接，所述的氣缸7、22、23、11、18、19和氣動(dòng)肌肉8、24、36均同軸連接位移傳感器50，所述的氣缸7、22、23、11、18、19和氣動(dòng)肌肉8、24、36上均連接壓力傳感器58，所述的位移傳感器50和所述的壓力傳感器58均與所述的數(shù)據(jù)采集卡46的輸入接口連接，所述的數(shù)據(jù)采集卡46輸出接口與所述的pwm波形發(fā)生器45輸入接口與相連，所述的pwm波形發(fā)生器45輸出接口與所述的高速開(kāi)關(guān)閥閥組44驅(qū)動(dòng)線圈相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡46還與所述的計(jì)算機(jī)47相連。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明利用多根氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)三自由度、六自由度多個(gè)平臺(tái)多個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)同運(yùn)動(dòng)；

2.本發(fā)明采用氣缸并聯(lián)、氣動(dòng)肌肉并聯(lián)、氣缸與氣動(dòng)肌肉混聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)剛體并聯(lián)機(jī)構(gòu)、剛體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)、單獨(dú)柔體并聯(lián)機(jī)構(gòu)、剛體與柔體混聯(lián)氣缸不運(yùn)動(dòng)作為支撐桿與氣動(dòng)肌肉并聯(lián)、氣缸運(yùn)動(dòng)與氣動(dòng)肌肉并聯(lián)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)控制；

3.本發(fā)明利用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)具有較好的柔順性、較大的功率/質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)俯視圖；

圖2是氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)仰視圖；

圖3是氣動(dòng)肌肉裝配體爆炸圖；

圖4是氣缸裝配體爆炸圖；

圖5是氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖；

圖6是多路pwm工作原理圖；

圖中：球鉸一1、底板2、連接接頭一3、氣缸一軸承座裝配體4、球鉸二5、連接接頭二6、氣缸一7、氣動(dòng)肌肉一8、中間平臺(tái)9、氣缸四軸承座裝配體10、氣缸四11、連接接頭三12、球鉸三13、球鉸四14、上端平臺(tái)15、球鉸五16、連接接頭四17、氣缸五18、氣缸六19、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸二22、氣缸三23、氣動(dòng)肌肉三24、氣缸二軸承座裝配體25、連接接頭五26、球鉸六27、氣缸三軸承座裝配體28、氣缸一固定球鉸29、氣缸四固定球鉸30、連接接頭六31、氣缸六固定球鉸32、氣缸五固定球鉸33、氣缸三固定球鉸34、氣缸二固定球鉸35、氣動(dòng)肌肉二36、軸承座37、軸承38、軸承座固定螺栓39、氣缸底座40、氣缸連接軸41、消聲器42、消聲罐43、高速開(kāi)關(guān)閥閥組44、pwm波形發(fā)生器45、數(shù)據(jù)采集卡46、計(jì)算機(jī)47、氣動(dòng)三聯(lián)體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51、dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55。

具體實(shí)施方式

如圖1、2、3、4、5、6所示，本發(fā)明基于氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)包括：球鉸一1、底板2、連接接頭一3、氣缸一軸承座裝配體4、球鉸二5、連接接頭二6、氣缸一7、氣動(dòng)肌肉一8、中間平臺(tái)9、氣缸四軸承座裝配體10、氣缸四11、連接接頭三12、球鉸三13、球鉸四14、上端平臺(tái)15、球鉸五16、連接接頭四17、氣缸五18、氣缸六19、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸二22、氣缸三23、氣動(dòng)肌肉三24、氣缸二軸承座裝配體25、連接接頭五26、球鉸六27、氣缸三軸承座裝配體28、氣缸一固定球鉸29、氣缸四固定球鉸30、連接接頭六31、氣缸六固定球鉸32、氣缸五固定球鉸33、氣缸三固定球鉸34、氣缸二固定球鉸35、氣動(dòng)肌肉二36、軸承座37、軸承38、軸承座固定螺栓39、氣缸底座40、氣缸連接軸41、消聲器42、消聲罐43、高速開(kāi)關(guān)閥閥組44、pwm波形發(fā)生器45、數(shù)據(jù)采集卡46、計(jì)算機(jī)47、氣動(dòng)三聯(lián)體48、保壓罐49、位移傳感器50、壓力傳感器51、dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55。

其中，氣缸一7、氣缸二22、氣缸三23一端分別通過(guò)氣缸一軸承座裝配體4、氣缸二軸承座裝配體25、氣缸三軸承座裝配體28與底板2相連，另一端分別通過(guò)氣缸一固定球鉸29、氣缸二固定球鉸35、氣缸三固定球鉸34與中間平臺(tái)9相連，驅(qū)動(dòng)中間平臺(tái)9橫搖、縱搖；

同樣氣缸四11、氣缸五18、氣缸六19兩端分別通過(guò)氣缸四軸承座裝配體10、氣缸五軸承座裝配體20、氣缸六軸承座裝配體21、氣缸四固定球鉸30、氣缸五固定球鉸33、氣缸六固定球鉸32與中間平臺(tái)9、上端平臺(tái)15連接，驅(qū)動(dòng)上端平臺(tái)15橫搖、縱搖；

氣動(dòng)肌肉一8一端通過(guò)連接接頭一3、球鉸一1與底板2相連，另一端通過(guò)連接接頭三12、球鉸三13與上端平臺(tái)15相連，

同理氣動(dòng)肌肉二36一端通過(guò)球鉸二5、連接接頭二6與底板2相連，另一端通過(guò)連接接頭六31、球鉸四14與上端平臺(tái)15相連；

氣動(dòng)肌肉三24一端通過(guò)連接接頭五26、球鉸六27與底板2相連，另一端通過(guò)連接接頭四17、球鉸五16與上端平臺(tái)15相連，驅(qū)動(dòng)上端平臺(tái)15橫搖、縱搖或者橫搖、縱搖、艏搖。

底板2和中間平臺(tái)9、中間平臺(tái)9和上端平臺(tái)之間的氣缸、上端平臺(tái)15和底板2之間的氣動(dòng)肌肉可以均勻分布，也可以不均勻分布。

以上底板2、中間平臺(tái)9、上端平臺(tái)15的橫搖、縱搖或者橫搖、縱搖、艏搖均以底板2固定為例說(shuō)明。在實(shí)際控制過(guò)程中，根據(jù)安裝固定的平臺(tái)而變化。

以?xún)蓚€(gè)氣缸和兩根氣動(dòng)肌肉為例說(shuō)明基于氣動(dòng)肌肉與氣缸混聯(lián)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)工作原理，如圖5所示，氣動(dòng)三聯(lián)體48的出氣口連接保壓罐49以保證系統(tǒng)氣壓穩(wěn)定，保壓罐49的出氣口連接高速開(kāi)關(guān)閥閥組44，高速開(kāi)關(guān)閥閥組44進(jìn)氣開(kāi)關(guān)閥的出氣口分別連接氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24，消聲罐43進(jìn)氣口和排氣口分別連接高速開(kāi)關(guān)閥閥組44排氣開(kāi)關(guān)閥的出氣口和消聲器42，高速開(kāi)關(guān)閥閥組44驅(qū)動(dòng)線圈均與pwm波形發(fā)生器45輸出接口相連，pwm波形發(fā)生器45輸入接口與數(shù)據(jù)采集卡46輸出接口相連，氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24同軸連接的位移傳感器50與數(shù)據(jù)采集卡46輸入接口連接，氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24連接的壓力傳感器51與數(shù)據(jù)采集卡46輸入接口連接，數(shù)據(jù)采集卡46與計(jì)算機(jī)47相連。

pwm波形發(fā)生器45的工作原理，如圖6所示，以tms320f28335為例說(shuō)明pwm波形發(fā)生器45實(shí)現(xiàn)方法，dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55均可以輸出18路pwm，計(jì)算機(jī)47輸出接口連接數(shù)據(jù)采集卡46，數(shù)據(jù)采集卡46的輸出接口與dsp主模塊52輸入接口相連，dsp主模塊52同時(shí)并行連接dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55，dsp主模塊52通過(guò)can通信的模式片選dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55中的那一個(gè)輸出pwm波形，dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55則通過(guò)計(jì)算機(jī)47下載到里面的程序選擇自身的18路中某一路輸出pwm波形，從而輸出多路pwm波形。

本發(fā)明的工作過(guò)程如下：將氣動(dòng)三聯(lián)體48的進(jìn)氣口連接氣源，通過(guò)觀察壓力表調(diào)節(jié)氣動(dòng)三聯(lián)體48出氣口的氣體壓力，氣體進(jìn)入保壓罐49，打開(kāi)計(jì)算機(jī)47把ccs3.3編寫(xiě)的控制程序下載到dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55，然后用vc++編寫(xiě)的控制程序通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡46控制dsp主模塊52、dsp從模塊一53、dsp從模塊二54、dsp從模塊三55實(shí)現(xiàn)多路pwm輸出，高速開(kāi)關(guān)閥閥組44以pwm占空比控制的形式給氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24充氣，氣體從保壓罐49進(jìn)入氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24驅(qū)動(dòng)其開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，排出的氣體進(jìn)入消聲罐43，進(jìn)一步通過(guò)消聲器42進(jìn)入大氣，與此同時(shí)位移傳感器50、壓力傳感器51測(cè)量到氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24的運(yùn)動(dòng)位移量和氣壓，反饋給數(shù)據(jù)采集卡46，數(shù)據(jù)采集卡46控制高速開(kāi)關(guān)閥閥組44改變pwm的占空比，控制對(duì)氣缸一7、氣缸四11、氣動(dòng)肌肉一8、氣動(dòng)肌肉三24的腔體進(jìn)行充氣或者放氣，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的位姿。

本發(fā)明，通過(guò)控制各執(zhí)行元件—?dú)飧缀蜌鈩?dòng)肌肉，實(shí)現(xiàn)其位姿的控制，可以用于飛行模擬、車(chē)輛人機(jī)環(huán)境模擬、動(dòng)感影院、波浪模擬等領(lǐng)域，并且可以實(shí)現(xiàn)精確的軌跡控制，本發(fā)明擁有其他氣缸和氣動(dòng)肌肉混聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式中的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。