一种气动多自由度机械臂及力矩控制方法

本发明涉及机械臂，尤其涉及一种气动多自由度机械臂及力矩控制方法。

背景技术：

1、随着电子制造、精密装配、实验室自动化、小型仓储及医疗按摩等领域的快速发展，市场对轻型小型六自由度机械臂需求日益迫切。此类场景无需重载，对机械臂的结果紧凑性、轻量化、环保性及低成本要求严苛，需适配于狭小空间，且便于移动，同时还要求避免油液污染与高压隐患等。

2、现有机械臂如专利公开号cn112589789a公示的一种全液压驱动六自由度机械臂，其设计有六自由度机械臂，该机械臂采用液压马达直接驱动，无需高精度减速器、伺服电机和驱动器，能够满足大功率重载、复杂电磁环境工况的需求。其液压控制的方式存在如下问题：

3、（一）液压元器件对密封性能要求极高，导致成本也高；

4、（二）液压油不可压缩，有泄漏污染风险，不适用洁净/防爆场景；

5、（三）液压马达可连续360°旋转，运动范围无限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种气动多自由度机械臂及力矩控制方法，降低密封性要求，并降低成本。

2、本发明的技术方案是：一种气动多自由度机械臂，包括第一底座及自所述第一底座依次连接的、并且内部中空的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节，其特征在于，所述第一关节和第二关节之间通过第一关节气缸驱动连接，所述第二关节和第三关节之间通过第二关节气缸驱动连接，所述第三关节和第四关节之间通过第三关节气缸驱动连接，所述第四关节和第五关节之间通过第四关节气缸驱动连接，所述第五关节和第六关节之间通过第五关节气缸驱动连接；

3、所述第一关节气缸、第二关节气缸、第三关节气缸、第四关节气缸和第五关节气缸均为双气室气缸，其上均连接有双气室进气管路、角度传感器信号线和压力传感器信号线，所述管路与信号线设于各关节的中空结构内；所述第一关节气缸、第二关节气缸、第三关节气缸、第四关节气缸和第五关节气缸连接有比例电磁阀。

4、优选的，所述第一关节气缸、第二关节气缸和第三关节气缸采用大规格的叶片式摆动气缸，所述第四关节气缸和第五关节气缸采用小规格的叶片式摆动气缸，大规格的叶片式摆动气缸与小规格的叶片式摆动气缸的尺寸常数比为2:1~3:1。

5、优选的，所述第一关节气缸、第二关节气缸、第三关节气缸、第四关节气缸和第五关节气缸均包括转子和缸体，所述转子的一端转动设于所述缸体内，所述缸体安装于一个关节中，所述转子的另一端安装于另一个关节中，所述缸体的下端设有缓冲挡块，各关节的内侧壁上通过支架同轴连接有角度传感器；所述缸体上设有气源口，所述气源口上连接有压力传感器。

6、本发明还提供一种上述气动多自由度机械臂的力矩控制方法，包括：

7、步骤一，根据机械臂期望运动轨迹和六自由度动力学模型，计算各关节在当前控制周期所需的参考力矩；

8、步骤二，通过各关节的角度传感器实时获取关节旋转角度，根据角度计算关节角速度；

9、步骤三，通过各关节的压力传感器采集双气室的压力、，再计算各关节气缸的实际气动输出力矩其中，

k为对应气缸的尺寸常数；

10、步骤四，再计算力矩误差；

11、步骤五，根据力矩误差，输出调节比例电磁阀开度的控制电压，实现分级负载的力矩动态跟踪。

12、优选的，所述比例电磁阀开度的控制通过求解气缸两气室的气压微分方程，并结合气体流经电磁阀阀口的圣维南绝热质量流量公式，建立有效节流面积与气室压力变化率的映射关系。

13、优选的，有效节流面积与控制电压之间采用五次多项式模型进行离线数据拟合标定，满足公式，其中至为通过标定实验获取的模型常数。

14、与相关技术相比，本发明的有益效果为：

15、一、本发明采用气缸驱动，使用压缩空气，实现零油液污染，具备防爆、过载自保护特性，可安全应用于洁净车间、实验室等对环保性、安全性要求高的场景。无需昂贵减速器，核心部件（叶片式摆动气缸）成本低、磨损小，配合模块化设计，使整机制造成本降低，后期维护仅需拆装气缸，操作简单，维护成本大幅降低。

16、二、本发明采用叶片式摆动气缸直接驱动，实现零齿轮传动机构，结构更加简单，且叶片式摆动气缸直接通过缓冲挡块进行角度限位（一般＜270°），安全性更高。

17、三、本发明各关节采用中空结构，将气管路和线路设于中空结构内，实现隐藏布线，避免外部布线杂乱，进一步优化结构紧凑度，适配狭小作业空间的布置需求。

18、四、本发明基于气动传动原理的力矩调节公式，可通过调控气源压力，针对性匹配底部基础关节（重载需求）与腕部关节（轻载需求）的载荷差异，既避免底部关节力矩不足导致的失稳，又减少腕部关节动力冗余造成的能耗浪费；角度传感器与气缸转子同轴连接，实时反馈转动角度信号，形成闭环控制，满足一定的精密装配等高精度作业需求。

19、五、叶片式摆动气缸与关节外壳通过螺栓可拆卸连接，拆装过程简单高效，便于部件更换与检修；关节最大转动角度通过缓冲挡块调整实现，无需修改核心结构即可灵活更改运动空间，适配不同作业场景的行程需求，大幅提升了机械臂的通用性与使用灵活性。内置式气路与信号线布局，避免了管线缠绕、磨损导致的故障，提升了机械臂运行的稳定性。

20、六、本发明采用叶片式摆动气缸直接驱动关节，彻底取消减速器、齿轮组等中间传动机构，大幅减少零件数量，显著降低机械臂整体重量与体积。

1.一种气动多自由度机械臂，包括第一底座（70）及自所述第一底座（70）依次连接的、并且内部中空的第一关节（10）、第二关节（20）、第三关节（30）、第四关节（40）、第五关节（50）和第六关节（60），其特征在于，所述第一关节（10）和第二关节（20）之间通过第一关节气缸（103）驱动连接，所述第二关节（20）和第三关节（30）之间通过第二关节气缸（202）驱动连接，所述第三关节（30）和第四关节（40）之间通过第三关节气缸（303）驱动连接，所述第四关节（40）和第五关节（50）之间通过第四关节气缸（403）驱动连接，所述第五关节（50）和第六关节（60）之间通过第五关节气缸（502）驱动连接；

2.根据权利要求1所述的气动多自由度机械臂，其特征在于，所述第一关节气缸（103）、第二关节气缸（202）和第三关节气缸（303）采用大规格的叶片式摆动气缸，所述第四关节气缸（403）和第五关节气缸（502）采用小规格的叶片式摆动气缸，大规格的叶片式摆动气缸与小规格的叶片式摆动气缸的尺寸常数比为2:1~3:1。

3.根据权利要求1所述的气动多自由度机械臂，其特征在于，所述第一关节气缸（103）、第二关节气缸（202）、第三关节气缸（303）、第四关节气缸（403）和第五关节气缸（502）均包括转子（1）和缸体（2），所述转子（1）的一端转动设于所述缸体（2）内，所述缸体（2）安装于一个关节中，所述转子（1）的另一端安装于另一个关节中，所述缸体（2）的下端设有缓冲挡块（4），各关节的内侧壁上通过支架（5）同轴连接有角度传感器（6）；所述缸体（2）上设有气源口（3），所述气源口（3）上连接有压力传感器。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的气动多自由度机械臂的力矩控制方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的力矩控制方法，其特征在于，所述比例电磁阀开度的控制通过求解气缸两气室的气压微分方程，并结合气体流经电磁阀阀口的圣维南绝热质量流量公式，建立有效节流面积 与气室压力变化率的映射关系。

6.根据权利要求5所述的力矩控制方法，其特征在于，有效节流面积 与控制电压 之间采用五次多项式模型进行离线数据拟合标定，满足公式，其中 至 为通过标定实验获取的模型常数。