气压驱动仿生柔性机械臂的设计

于有河 李 建 周 燕 张钊萁

（北京工商大学，北京 100048）

0 引言

软体机器人是从仿生学的角度，基于自然界中的生物，如大象、海星和章鱼等设计出的一种具有连续变形结构和高自由度的新型机器人。机器人的本体通常是利用柔性材料制作，通常认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料，一般有介电弹性体（DE）、离子聚合物金属复合材料（IPMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆聚合物（SMP）等。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]。

本文模拟章鱼触手运动特点，设计了一款柔性机械臂。不同于常见软体机器人采用柔性材料实现变形和多自由度，本设计采用多关节构造，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。机械臂末端安装柔性仿生机械爪，从而使其能够实现物体的抓取。为了满足气动软体机器人的灵活利用以及多场景工作的需求，将柔性机械臂安装在电驱动小车上。

1 柔性机械臂结构设计与运动实现

1.1 机器人整体布局设计

本研究主要关注多自由度柔性机械臂和气动手爪，为了扩大机械臂作业空间，其整体机构设计与分布如图1所示。

图1 机械臂整体结构示意

将其连接在一个移动平台上，平台为一遥控电动小车，本文不作具体介绍。柔性机械臂和移动平台之间通过舵机和固定梁连接，气动手爪固定于机械臂末端。

作为核心部件的机械臂共有6个关节，每个关节结构一致，串行连接。相邻关节间有120°夹角。机械臂末端连接一气动机械爪，用于抓取物体。独立关节的结构如图2所示。

图2 机械臂单个关节结构示意图

1.2 弯曲运动实现

每个独立关节均为旋转关节，当气缸内部充气时，活塞伸长，使上层板绕合页轴翻转一定的角度，从而实现机械臂向特定方向弯曲。活塞行程越大，翻转角度越大。由于各关节之间120°夹角放置，因此可实现多个方向弯曲运动。

当关节一气缸伸长时，机械臂弯曲情况如图3所示。其他关节弯曲情况类似。

图3 机械臂关节一气缸伸长时示意图

1.3 伸缩运动实现

伸缩运动的实现是靠多个关节间的协调旋转实现。机械臂共有6个独立关节，相邻关节成120°夹角，前3个关节与后3个关节间具有空间位置相似性。针对前3个关节（后3个关节类似），当它们相对各自转轴做合适的转动时，关节转动会相互抵消，表现为空间直线运动，也就是机械臂的伸长（同时会有径向偏移，偏移尺寸较小，在此忽略）。前3个关节各旋转特定角度时，机械臂变形情况如图4所示。

图4 机械臂关节一、二、三伸长时示意图

1.4 回转关节设计

由于机械臂各独立关节间夹角均为120°，只能朝向特定角度弯曲。为了实现机械臂多向弯曲运作，扩大作业空间，团队为机械臂增加了回转关节。设计将机械臂安装在舵机上，舵机结构如图5所示。通过89C51主控芯片控制舵机旋转的角度和角速度，以此来实现对机械臂转向的控制。回转关节的设计，既增加了机械臂的自由度，又可以在某些情况下替代移动平台的运动，完成搬运操作，大大提高了工作效率。

图5 舵机结构图

1.5 爪部设计

气动五指机械爪主要是利用中间一系列的连杆铰链配合，将小型气缸的气缸杆往复运动转化为机械爪的抓取运动。当气缸杆向外部伸长时，机械爪呈张开形式；当气缸杆向内收缩时，机械爪呈抓握形式。机械爪的抓取角度取决于气缸杆的伸缩长度，图6展示了机械爪放松与抓取时的状态。

图6 气动机械爪两种状态

2 柔性机械臂驱动设计

2.1 常用驱动方式比较

2.1.1 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。

2.1.2 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2000:1）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。因此，该方式经常用于需要较大输出力和低运动速度的场合。在电驱动技术成熟之前，液压驱动是使用最广泛的驱动方法[2]。

2.1.3 气动驱动方式

气动驱动器使用空气作为工作介质，并使用气源发生器将压缩空气的压力能转换为机械能，以驱动执行器完成预定的运动。气动驱动具有节能简单、时间短、动作快、柔软、重量轻、产量/质量比高、安装维护方便、安全、成本低、对环境无污染的优点。然而，由于空气的可压缩性，要实现高精度、快速响应的位置和速度控制并不容易，而且还会降低驱动系统的刚性。

2.2 弯曲与伸缩关节的驱动

近年来，人们已经利用气动驱动的灵活性来开发在康复、护理和协助方面与人类协作的机器人[3]。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[4]。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。

电磁阀选用两位三通先导式电磁阀。将气泵通过气管与电磁阀连接，再将电磁阀通过气管与气缸连接。使用控制开关实现气泵和电磁阀的启动与停止，当开关打开时，气泵启动，电磁阀导通。机械臂每节由单独的气缸控制，每个电磁阀分别由一个开关控制，通过气缸活塞的运动使机械臂张开以实现弯曲，弯曲角度的大小取决于两个活塞向上运动的行程。气缸在机械臂上呈螺旋式每节相隔120°排列从而实现多角度弯曲。气管分布在机械臂周围，以便于机械臂灵活运动。机械臂头部装有一个气动手爪，当机械臂到达被抓取物体附近时，气动手爪张开，抓取物体，通过气缸活塞的运动、舵机的旋转，使机械臂运动到所要求的位置，然后气动手爪打开，将物体放在相应位置处。

2.3 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。

直流电机是依靠直流工作电压运行的电机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、自动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。直流电机具有调速性能好、启动容易、能够载重启动等优点，所以目前直流电机的应用仍然很广泛，尤其是在可控硅直流电源出现以后。

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。

3 结论与展望

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。本设计虽然能够实现预期运动，但设计精度及自动化程度不高，下一步研究将集中在这两个方面。