氣線混合驅(qū)動軟體機(jī)械臂

摘要：對于象鼻的觀察研究，使得我對象鼻日常功用有了更多的興趣，結(jié)合學(xué)科所長，如何用機(jī)械的手段去實(shí)現(xiàn)象鼻的功能。而本作品是使用線驅(qū)動與氣動相結(jié)合從而控制柔性主體結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂。本產(chǎn)品使用線驅(qū)動實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的大致運(yùn)動，再使用覆蓋于柔性結(jié)構(gòu)外的氣囊對機(jī)械臂的姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)與固定。線傳動、氣驅(qū)動、柔性的主體結(jié)構(gòu)都是我們的特色。

關(guān)鍵詞：柔性;線傳動;氣動

一、結(jié)構(gòu)介紹

1.1? 機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

氣- 線混合式軟體機(jī)械臂模型的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，機(jī)械臂整體由主體、關(guān)節(jié)和電機(jī)座和傳動線組成。圖中1，2，3為關(guān)節(jié)，4為傳動線，5為氣囊，6為內(nèi)嵌彈簧。包括密封連通于控制底座內(nèi)氣泵輸氣口上的橡膠軟管，橡膠軟管的外端封口，其上間隔設(shè)置有若干結(jié)構(gòu)相同的氣囊伸縮單元，橡膠軟管的長度以及氣囊伸縮單元的數(shù)量可根據(jù)所需使用的具體環(huán)境進(jìn)行選取，相鄰兩氣囊伸縮單元之間通過關(guān)節(jié)連為一體。

關(guān)節(jié)齒輪箱包括一筒狀殼體，筒狀殼體的兩端分別與相鄰兩氣囊伸縮單元的相鄰底板螺接固連，位于筒狀殼體內(nèi)的橡膠軟管上固套有轉(zhuǎn)動輪，轉(zhuǎn)動輪的外側(cè)嚙合設(shè)置有由減速電機(jī)帶動的主動齒輪，通過減速電機(jī)來控制主動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，使橡膠軟管在該關(guān)節(jié)處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變。

另外，為精確控制橡膠軟管小幅度扭轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動輪的外側(cè)壁上沿周向均勻間隔布設(shè)有三組扇形齒段，每組扇形齒段上均嚙合設(shè)置有一套由減速電機(jī)帶動的主動齒輪，即橡膠軟管的扭轉(zhuǎn)幅度控制在扇形齒段的長度范圍內(nèi)，以達(dá)到小幅度調(diào)整機(jī)械臂的彎曲方向。

（1）?? 機(jī)械臂主體

第一臺設(shè)備使用的是：內(nèi)嵌銅絲的燃?xì)夤艿溃渚哂幸欢◤椥?，但是彎曲后無法完全復(fù)原。第二臺設(shè)備使用的是耐高溫的pvc透明高壓油管，其中可以內(nèi)嵌鋼絲，且內(nèi)嵌鋼絲的纏繞方式與彈簧相同，其在彎曲后回彈的能力變得更強(qiáng)，有著更穩(wěn)定的力學(xué)性質(zhì)。

（2）?? 傳動線

第一代作品初步使用鋼絲繩作為傳動線，其特點(diǎn)為承受能力強(qiáng)，適合對機(jī)器的調(diào)試。根據(jù)對不同負(fù)載能力的要求，可以選用不同的傳動線。在大負(fù)載下一般選用鋼絲繩（Wire Rope）為主，但在較小負(fù)載和尺寸空間中，可選用LIROS DSL繩索材料，其外殼和內(nèi)芯是不同的材料制成，使得繩索韌性很強(qiáng)。

（3）?? 關(guān)節(jié)部分

機(jī)械臂關(guān)節(jié)包括一個(gè)底部關(guān)節(jié)，若干個(gè)中間關(guān)節(jié)以及一個(gè)頂部關(guān)節(jié)。底部關(guān)節(jié)由金屬材料制作，其與電機(jī)連接，可控制整個(gè)手臂的整體轉(zhuǎn)向。小關(guān)節(jié)通過3D打印的方式來制作，每一個(gè)小關(guān)節(jié)由三塊完全對稱的零件組成，每一個(gè)零件由一根繩索控制，并裝有銅扣防止磨損。加入機(jī)械結(jié)構(gòu)，做到能夠精準(zhǔn)控制關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，平移，實(shí)現(xiàn)各種能夠適應(yīng)使用要求的形狀。

（4）?? 氣囊部分

每一節(jié)機(jī)械臂將接入三個(gè)氣囊來增添氣動驅(qū)動方式，氣囊目前采用硅膠制作，內(nèi)部封閉，留有進(jìn)氣口，周圍附有彈簧，用來給氣囊提供支撐。氣囊的目的是更好地控制每一節(jié)手臂的彎曲，增加控制精度并增強(qiáng)機(jī)械臂的力度，使機(jī)械臂能夠隨意形成各種形狀。

（5）?? 彈簧部分

氣囊內(nèi)嵌彈簧，主要是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的伸縮功能，為氣囊提供支撐，增加機(jī)械臂的彈性和可控性。

1.2? 機(jī)械臂電子部分介紹

電子部分以STM32為核心，包括電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動型號的選擇、電源部分、傳感器的選擇、PCB板的設(shè)計(jì)制作等。由于已有相關(guān)機(jī)器人整體控制等經(jīng)驗(yàn)，著重解決的問題有機(jī)械臂的空間運(yùn)動控制算法和彎度傳感器的運(yùn)用這兩個(gè)方面。下面將著重介紹：

1.控制芯片和驅(qū)動器的選擇

使用性能高的STM32作為控制機(jī)械臂的核心，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，外設(shè)豐富，使用IIC，SPI的通訊接口，便于進(jìn)行拓展和開發(fā)。在驅(qū)動器上選用了57二相步進(jìn)電機(jī)，具有自感電抗小、噪音低和精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.控制算法

采用控制步進(jìn)電機(jī)正點(diǎn)原子官方提供的步進(jìn)電機(jī)控制算法，應(yīng)用多個(gè)定時(shí)器，DMA傳輸，可以通過控制電機(jī)的步距，牽引相應(yīng)的線距，發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號，可得到對應(yīng)的控制效果。在一些諸如內(nèi)部器官手術(shù)，航天器檢修等控制操作的精準(zhǔn)度和靈活度要求十分高的場合，使用步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中的原理以及框架如圖所示：

（1）???? PID增量式

算法離散化公式：

△u（k）=u（k）-u（k-1）

△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

進(jìn)一步可以改寫成：

△u（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）

（2）???? PID位置算法

離散公式：

u（k）=Kp*e（k）+Ki*+Kd*[e（k）-e（k-1）]

位置式算法上可以選擇的功能有：

第一、濾波：同上為一階慣性濾波

第二、飽和作用抑制

二、產(chǎn)品具體應(yīng)用

氣—線混合驅(qū)動軟體機(jī)械臂由于其結(jié)構(gòu)以及遠(yuǎn)距離傳輸驅(qū)動力的優(yōu)勢，基于此平臺將在醫(yī)療技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)操作安全等方面有巨大的開發(fā)前景。下面詳細(xì)介紹其具體應(yīng)用。

（1）???? 仿人機(jī)器人

作為仿人機(jī)器人的一部分，機(jī)器人的脖子及其運(yùn)動通常都很生硬，主要是因?yàn)槟壳皺C(jī)器人的傳動結(jié)構(gòu)大多以剛性結(jié)構(gòu)為主，還沒有相關(guān)柔性結(jié)構(gòu)的加入。柔性機(jī)械臂可以使仿人機(jī)器人的運(yùn)動更加自然，尤其是使用柔性機(jī)械臂來制作機(jī)器人的脖子，會使其運(yùn)動的擬人化程度更高。由于氣動的控制難度較大，雖然整體的移動可以控制，但是具有不完全精確性的特點(diǎn)，從而可以降低機(jī)器人移動時(shí)的機(jī)械感。

（2）???? 地質(zhì)勘探

地質(zhì)勘探的工作常需要縫隙作業(yè)，不論冰川還是巖層，都有極高的不確定性和危險(xiǎn)性。對于狹小曲折空間內(nèi)的探照、氣體監(jiān)測、水體監(jiān)測，仿生軟體機(jī)械臂與探測設(shè)備的簡易組合達(dá)成，有效降低了縫隙作業(yè)難度。同時(shí)該設(shè)備輕便易攜帶，利于外出勘探工作負(fù)重減輕。例如，可以在仿生軟體機(jī)械臂的前端加裝攝像頭，代替人的肉眼檢測。

（3）???? 災(zāi)害救援

傳統(tǒng)剛性機(jī)械臂，剛性大，不易曲折，很難穿越特定災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場。而仿生軟體機(jī)械臂可以在縫隙中探照探尋生命跡象，穿越障礙物及時(shí)遞送營養(yǎng)補(bǔ)品，有效推進(jìn)救援效率，提高重大災(zāi)害受災(zāi)人存活率。比如，在地震中，如果受害人被困于廢墟下，可以通過軟體機(jī)械臂為受害人送去水和食物，保持生命體征。

總結(jié)：此方案具有雖然具有一定的可行性但仍然存在許多改進(jìn)空間，這次所寫為第二代左派也希望以后會有好的改進(jìn)以及尋到合適的材料實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)，以期更好的使用。

同時(shí)，對該作品的市場前景進(jìn)行分析，論證了其具有廣泛的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

張鵬，男，漢族，山西大同，鄭州市中原區(qū)鄭州大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)本科生。