[發明專利]主從操控的柔性連續體機器人裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 201410707611.X
• 申請日: 2014-11-27
• 公開（公告）號: CN104476533A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 楊韻芳;張文增
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00;B25J13/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種主從操控的柔性連續體機器人裝置，包括機械臂；

所述機械臂包括n個機械臂單元，n為自然數；

每個機械臂單元包括基座(1)、3個人工肌肉組件、至少2個中間件(6)、至少一個第一彈簧(7)和一個末端件(8)；所述人工肌肉組件包括驅動器(2)、傳動機構(3)和柔性螺桿組件；所述柔性螺桿組件包括主動柔性桿(51)和螺桿(52)；所述驅動器與基座固接，所述驅動器的輸出軸與傳動機構的輸入軸相連，所述傳動機構的輸出軸與主動柔性桿的一端相連，所述主動柔性桿的另一端與螺桿的一端相連；所述螺桿與末端件形成螺紋傳動關系；所述中間件設置在基座和末端件之間，多個中間件沿主動柔性桿方向依次布置，所述中間件上有3個圓周均布的通孔，所述每個主動柔性桿分別依次穿過各中間件的通孔，相鄰中間件之間至少設置一個第一彈簧，所述第一彈簧的兩端分別連接兩個相鄰中間件；

各個所述機械臂單元的基座固接在一起，從基座向外依次稱機械臂單元為第1級、第2級……第n級；第2級的主動柔性桿穿過第1級的所有中間件的中心孔，第3級的主動柔性桿依次穿過第1級的所有中間件的中心孔、第2級的所有中間件的中心孔……以此類推，第n級的主動柔性桿依次穿過第1級的所有中間件的中心孔、第2級的所有中間件的中心孔……第n-1級的所有中間件的中心孔；相鄰兩級機械臂單元的中間件沿其圓周方向偏轉一個角度α；

其特征在于：

所述機械臂單元還包括3個第一擋塊(81)和3個第一位移傳感器(11)；在機械臂單元中，所述第一擋塊活動套接在螺桿的另一端上，所述第一位移傳感器安裝在末端件和第一擋塊之間，采集末端件與第一擋塊之間的位移變化量；

主從操控的柔性連續體機器人裝置還包括操縱臂和控制系統；

所述操縱臂包括n個操縱臂單元；

每個所述操縱臂單元包括底座(12)、3個被動柔性桿(13)、3個第二擋塊(17)、3個第二位移傳感器(16)、至少兩個中間板(14)、至少一個第二彈簧(15)和一個末端板(18)；所述被動柔性桿的一端固定連接在底座上，被動柔性桿的另一端固定連接第二擋塊；所述中間件設置在底座和末端板之間，多個中間板沿被動柔性桿方向依次布置，所述中間板上有三個個圓周均布的通孔，所述每個被動柔性桿分別依次穿過各中間板的通孔，相鄰中間板之間至少設置一個第二彈簧，所述第二彈簧的兩端分別連接兩個相鄰中間板；所述被動柔性桿穿過末端板，所述第二位移傳感器安裝在末端板和第二擋塊之間，采集末端板與第二擋塊之間的位移變化量；

各個所述操縱臂單元串聯布置，從底座向外依次稱操縱臂單元為第1級、第2級……第n級，前一級的末端板與后一級的底座固接；相鄰兩級操縱臂單元的中間板沿其圓周方向偏轉一個角度α，且α大于零、小于120度。

所述控制系統包括控制模塊和多個電機驅動模塊；控制模塊包括多個第一位移輸入端、多個第二位移輸入端、多個驅動輸出端和復位端；控制模塊的復位端連接復位信號；不同的控制模塊的驅動輸出端與對應的電機驅動模塊的輸入端分別連接，不同的電機驅動模塊的輸出端與對應的電機的引線分別連接；不同的第一位移傳感器的信號引出端與控制模塊上對應的第一位移輸入端分別連接；不同的第二位移傳感器的信號引出端與控制模塊上對應的第二位移輸入端分別連接；所述的控制模塊運行控制程序，利用來自多個第一位移傳感器和多個第二位移傳感器的各種信號，發出指令通過電機驅動模塊驅動電機轉動，實現機械臂模仿操縱臂的運動功能。

2.如權利要求1所述的主從操控的柔性連續體機器人裝置，其特征在于：所述被動柔性桿采用易彎曲且不易伸縮的桿狀、管狀或絲狀桿件；主動柔性桿采用易彎曲且不易伸縮的桿狀、管狀或絲狀桿件。

3.如權利要求2所述的主從操控的柔性連續體機器人裝置，其特征在于：所述被動柔性桿采用易彎曲且不易伸縮的塑料或金屬桿件，所述主動柔性桿采用易彎曲且不易伸縮的塑料或金屬桿件。

4.如權利要求1所述的主從操控的柔性連續體機器人裝置，其特征在于：所述驅動器(2)采用電機、液壓缸或氣缸。

5.如權利要求1所述的主從操控的柔性連續體機器人裝置，其特征在于：所述角度α為60度。

6.如權利要求1所述的主從操控的柔性連續體機器人裝置，其特征在于：所述的控制模塊采用計算機、PLD、CPLD、PLC、單片機、DSP和FPGA中的一種或幾種的組合，控制模塊內含有A/D轉換子模塊。