[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

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，特別涉及一種主從操控的柔性連續體機器人裝置的結構與控制方法設計。

背景技術

象鼻、章魚觸手以及蛇是一類非常獨特的生物體結構，能夠向多個方向彎曲，具有很好的柔性，并且具有較強的抓取、操作和避障功能。美國、英國、德國等各國均在柔性連續體機器人領域有諸多研究成果，已經有一些柔性機械裝置被研制出來，例如Clemson大學的OctArm機械臂、OC?Robotics公司的蛇形機器人、Festo公司的氣動象鼻手、Vanderbilt大學的多脊柱蛇形機器人等。

已有一種仿象鼻機械臂單元裝置(中國發明專利，CN103895012A)包括基座、多個人工肌肉組件、多個中間件、多個彈簧、末端件和柔性罩；人工肌肉組件包括驅動器、傳動機構和柔性螺桿組件。該裝置具有多個自由度，能夠向多個方向彎曲和伸縮，可以做出各種彎曲的空間形狀。比較成熟的傳統工業機器人控制方式一般采用操作面板或計算機離線編程，對于這種柔性連續體機器人的控制不夠直觀，尤其是當柔性連續體機器人驅動電機數量較多時，控制難度大，需要復雜的機器人運動學模型，且機器人運動學逆解不唯一。

發明內容

本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出一種主從操控的柔性連續體機器人裝置，具有多個自由度，能夠向多個方向彎曲和伸縮，抓取、操作與避障功能獨特，具有較好的柔性；同時實現比較直觀、方便的主從操控，降低控制難度，適合遠程遙操作，解決仿象鼻機械臂控制問題。

本發明采用如下技術方案：

本發明提供的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；

所述機械臂單元包括基座、3個人工肌肉組件、至少2個中間件和一個末端件；所述人工肌肉組件包括驅動器、傳動機構和柔性螺桿組件；所述柔性螺桿組件包括主動柔性桿和螺桿；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、3個第一位移傳感器；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；

所述操縱臂單元包括底座、3個被動柔性桿、3個第二擋塊、3個第二位移傳感器、至少2個中間板、第二彈簧和一個末端板；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3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。