气线混合驱动软体机械臂

摘要：对于象鼻的观察研究，使得我对象鼻日常功用有了更多的兴趣，结合学科所长，如何用机械的手段去实现象鼻的功能。而本作品是使用线驱动与气动相结合从而控制柔性主体结构的机械臂。本产品使用线驱动实现机械臂的大致运动，再使用覆盖于柔性结构外的气囊对机械臂的姿态进行微调与固定。线传动、气驱动、柔性的主体结构都是我们的特色。

关键词：柔性;线传动;气动

一、结构介绍

1.1  机械臂机械结构介绍

气- 线混合式软体机械臂模型的结构如图1-1所示，机械臂整体由主体、关节和电机座和传动线组成。图中1，2，3为关节，4为传动线，5为气囊，6为内嵌弹簧。包括密封连通于控制底座内气泵输气口上的橡胶软管，橡胶软管的外端封口，其上间隔设置有若干结构相同的气囊伸缩单元，橡胶软管的长度以及气囊伸缩单元的数量可根据所需使用的具体环境进行选取，相邻两气囊伸缩单元之间通过关节连为一体。

关节齿轮箱包括一筒状壳体，筒状壳体的两端分别与相邻两气囊伸缩单元的相邻底板螺接固连，位于筒状壳体內的橡胶软管上固套有转动轮，转动轮的外侧啮合设置有由减速电机带动的主动齿轮，通过减速电机来控制主动齿轮转动，从而带动转轮转动，使橡胶软管在该关节处产生扭转形变。

另外，为精确控制橡胶软管小幅度扭转，在转动轮的外侧壁上沿周向均匀间隔布设有三组扇形齿段，每组扇形齿段上均啮合设置有一套由减速电机带动的主动齿轮，即橡胶软管的扭转幅度控制在扇形齿段的长度范围内，以达到小幅度调整机械臂的弯曲方向。

（1）   机械臂主体

第一台设备使用的是：内嵌铜丝的燃气管道，其具有一定弹性，但是弯曲后无法完全复原。第二台设备使用的是耐高温的pvc透明高压油管，其中可以内嵌钢丝，且内嵌钢丝的缠绕方式与弹簧相同，其在弯曲后回弹的能力变得更强，有着更稳定的力学性质。

（2）   传动线

第一代作品初步使用钢丝绳作为传动线，其特点为承受能力强，适合对机器的调试。根据对不同负载能力的要求，可以选用不同的传动线。在大负载下一般选用钢丝绳（Wire Rope）为主，但在较小负载和尺寸空间中，可选用LIROS DSL绳索材料，其外壳和内芯是不同的材料制成，使得绳索韧性很强。

（3）   关节部分

机械臂关节包括一个底部关节，若干个中间关节以及一个顶部关节。底部关节由金属材料制作，其与电机连接，可控制整个手臂的整体转向。小关节通过3D打印的方式来制作，每一个小关节由三块完全对称的零件组成，每一个零件由一根绳索控制，并装有铜扣防止磨损。加入机械结构，做到能够精准控制关节的旋转，平移，实现各种能够适应使用要求的形状。

（4）   气囊部分

每一节机械臂将接入三个气囊来增添气动驱动方式，气囊目前采用硅胶制作，内部封闭，留有进气口，周围附有弹簧，用来给气囊提供支撑。气囊的目的是更好地控制每一节手臂的弯曲，增加控制精度并增强机械臂的力度，使机械臂能够随意形成各种形状。

（5）   弹簧部分

气囊内嵌弹簧，主要是用来实现机械臂的伸缩功能，为气囊提供支撑，增加机械臂的弹性和可控性。

1.2  机械臂电子部分介绍

电子部分以STM32为核心，包括电机以及电机驱动型号的选择、电源部分、传感器的选择、PCB板的设计制作等。由于已有相关机器人整体控制等经验，着重解决的问题有机械臂的空间运动控制算法和弯度传感器的运用这两个方面。下面将着重介绍：

1.控制芯片和驱动器的选择

使用性能高的STM32作为控制机械臂的核心，实时性强，外设丰富，使用IIC，SPI的通讯接口，便于进行拓展和开发。在驱动器上选用了57二相步进电机，具有自感电抗小、噪音低和精度高的优点。

2.控制算法

采用控制步进电机正点原子官方提供的步进电机控制算法，应用多个定时器，DMA传输，可以通过控制电机的步距，牵引相应的线距，发送相应的脉冲信号，可得到对应的控制效果。在一些诸如内部器官手术，航天器检修等控制操作的精准度和灵活度要求十分高的场合，使用步进电机的闭环控制系统，其中的原理以及框架如图所示：

（1）     PID增量式

算法离散化公式：

△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）]

进一步可以改写成：

△u（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）

（2）     PID位置算法

离散公式：

u（k）=Kp*e（k）+Ki*+Kd*[e（k）-e（k-1）]

位置式算法上可以选择的功能有：

第一、滤波：同上为一阶惯性滤波

第二、饱和作用抑制

二、产品具体应用

气—线混合驱动软体机械臂由于其结构以及远距离传输驱动力的优势，基于此平台将在医疗技术进步，工业操作安全等方面有巨大的开发前景。下面详细介绍其具体应用。

（1）     仿人机器人

作为仿人机器人的一部分，机器人的脖子及其运动通常都很生硬，主要是因为目前机器人的传动结构大多以刚性结构为主，还没有相关柔性结构的加入。柔性机械臂可以使仿人机器人的运动更加自然，尤其是使用柔性机械臂来制作机器人的脖子，会使其运动的拟人化程度更高。由于气动的控制难度较大，虽然整体的移动可以控制，但是具有不完全精确性的特点，从而可以降低机器人移动时的机械感。

（2）     地质勘探

地质勘探的工作常需要缝隙作业，不论冰川还是岩层，都有极高的不确定性和危险性。对于狭小曲折空间内的探照、气体监测、水体监测，仿生软体机械臂与探测设备的简易组合达成，有效降低了缝隙作业难度。同时该设备轻便易携带，利于外出勘探工作负重减轻。例如，可以在仿生软体机械臂的前端加装摄像头，代替人的肉眼检测。

（3）     灾害救援

传统刚性机械臂，刚性大，不易曲折，很难穿越特定灾害发生现场。而仿生软体机械臂可以在缝隙中探照探寻生命迹象，穿越障碍物及时递送营养补品，有效推进救援效率，提高重大灾害受灾人存活率。比如，在地震中，如果受害人被困于废墟下，可以通过软体机械臂为受害人送去水和食物，保持生命体征。

总结：此方案具有虽然具有一定的可行性但仍然存在许多改进空间，这次所写为第二代左派也希望以后会有好的改进以及寻到合适的材料实现进一步的改进，以期更好的使用。

同时，对该作品的市场前景进行分析，论证了其具有广泛的市场前景。

參考文献：

[1]   胡海燕，王鹏飞，孙立宁，赵勃，李满天.线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真[J].机械工程学报，2010，46（19）：1-8.

[2]   李光华.一种新型仿象鼻机器人的设计研究[D].北方工业大学，2018.

[3]   张凯.欠驱动象鼻机器人抓取理论分析及实验研究[D].沈阳理工大学，2018.

[4]   邵铁锋.气动柔性象鼻型连续机器人研究[D].浙江工业大学，2014.

[5]胡海燕，李伟达，李娟，孙立宁.结肠镜机器人结构设计与通过性研究[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34（02）：233-239.

作者简介：

张鹏，男，汉族，山西大同，郑州市中原区郑州大学机械工程专业本科生。