CN105751211B - 一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法。本机器人包括PC（Ⅰ），控制驱动单元（Ⅱ），一个机械臂单元（Ⅲ）。柔性杆机械臂装置的灵感来自于对大自然中鱼鳍运动过程的观察，该装置共有六根柔性杆组成，三根主动驱动杆，三根从动辅助杆，利用单杆独立驱动的设计思路，使各杆产生位移差，从而末端位置发生变化，并通过控制系统改变位移差值得大小，使末端执行器在系统允许变化范围内到达目标位置。本发明专利提出的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人装置的主题有柔性杆组成，相对于传统机器人臂来讲，其质量轻，成本低，运动空间大，空间任意方向弯曲，具有较高的实用和科研价值前景。

Description

一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，属于机器人领域，特别是一种柔性机器人及其控制方法，具有较高的科研价值。

技术背景

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

大自然一直是人类发明家和工程师们取之不尽、用之不竭的灵感之源。计算机控制的机械臂也越来越复杂和灵巧，逐步开始向伸缩性和柔韧度的方向发展，受生物学启发的仿生机器人研究正如火如荼的开展。象鼻、章鱼触手以及蛇是一类非常独特的生物体结构，能够向多个方向弯曲，具有很好的柔性，并且具有较强的抓取、操作和避障功能。德国、美国、日本等各国均在柔性驱动的曲率连续变化机器人领域有诸多研究成果，已经有一些柔性机械装置被研制出来，例如Clemson 大学的OctArm 机械臂、OC Robotics 公司的蛇形机器人、Vanderbilt大学的多脊柱蛇形机器人等。

2011年德国费斯托(Festo) 公司模仿大象鼻子的概念研制了一种利用气体驱动的仿象鼻柔性机械臂。该装置由多个沿着曲线以堆叠的方式布置的操纵组件构成，每个操纵组件又分别包含多个联接板和多个流体腔。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，是利用电机直接驱动柔性杆而使末端位置到达目标位置的连续柔性机械臂及其控制方法，具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，具有较好的柔性，同时该实验装置还是一个开放的平台。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，PC（Ⅰ），控制驱动单元（Ⅱ），一个机械臂单元（Ⅲ），其特征在于:所述PC（Ⅰ）与控制驱动单元（Ⅱ）之间采用的是并口线进行连接与通信，控制驱动单元（Ⅱ）与机械臂单元（Ⅲ）中的步进电机对应连接。该装置使用PC进行程序的编写，通过并行传输的方式将控制指令传输至控制驱动单元（Ⅱ），分别控制机械臂单元（Ⅲ）的步进电机，电机转动带动模组滑块移动，配合陀螺仪和编码器数据的读取改变三根柔性杆的长度，使机械臂装置进行运动；

所述机械臂单元（Ⅲ）包括机械手抓（1），陀螺仪（2），末端金属圆盘（3），柔性玻璃纤维杆（5,6），星型结构（4，7，8），铝合金框架（11），滑轮固定板（14,15），模组（含步进电机及编码器）（9），三组限位开关（分别位于三个模组两端）（10），杆固定支座（18），六棱柱结构体（17），橡胶底座（12），螺栓螺母等；

所述机械手抓（1）包含三个手指（29），一个直流电机（26），三根手指之间呈120度均布，每根手指末端与机械手抓中的支杆（30）采用转动副（28）进行连接，支杆中轴与直流电机（26）之间采用联轴器（27）连接并进行传动，手抓的末端通过螺栓螺母紧固的方式与末端圆盘（3）进行固定连接，陀螺仪（2）通过螺栓连接的方式与末端圆盘（3）进行连接；所述六根柔性玻璃纤维杆（5,6）的一端含螺纹，分别呈六十度均布的方式将其与末端金属圆盘（3）的另一端面进行螺纹连接并固定。起到主动驱动的柔性杆（6）的另一端通过螺栓紧定的方式与杆固定支座连接在一起，杆固定支座（18）通过螺栓与模组（9）的滑块固定连接在一起，起到从动作用的三根柔性杆（5）的另一端架在与铝合金支架安装在一起的三组滑轮（13）中，与滑轮的V面贴合，矩形导轮板（14）通过螺栓连接分别安装在三根铝合金支杆（16）的侧片，矩形导轮板（14）上打有通孔，两个导轮（13）安装于两块矩形导轮板中间，采用螺栓螺母连接的方式进行安装，在三根铝合金支杆的前后两侧分别用螺栓连接的方式安装两个T型导轮固定板（15），T型导轮板（15）上打有通孔，对应的两个导轮（13）采用螺栓连接（穿过通孔）的方式安装在两个T型导轮板（15）之间；

所述三个星型结构（4,7,8）中，两个星型结构（4,8）含有三个呈120度均布的支杆，一个星型结构（7）含有六个呈60度分布的支杆，每根支杆（20）两端分别含左旋与右旋两种螺纹，将支杆一端的左旋螺纹与末端含有通孔的金属块（19）相连，右旋螺纹与星型结构中心的圆块（21）相连，通过旋转支杆可以调节中间圆块与末端金属块之间的距离。将含有六个支杆的星型结构（7）安置在机械臂的中部，并将含有三个支杆（4,8）的星型结构安装于其两侧，分别将六根柔性杆通过三个星型结构（4,7,8,）对应的末端孔中，采用螺杆与螺母对柔性杆进行夹紧固定，避免其产生轴向移动；

所述三个模组（9）分别通过螺栓固定在六棱柱结构体（17）互不相邻的两个面上，模组（9）上的滑块与杆固定支座（18）之间采用螺栓连接的方式，六棱柱结构体（17）的另外三个面通过三角体结构以及螺栓与三个铝合金支杆（16）相连，三根铝合金支杆（16）通过螺栓与铝合金框架（11）固定连接，并呈120度分布安装，铝合金框架（11）中的铝合金杆采用三角体结构和螺栓进行连接和紧固，在铝合金框架的下部的四个支点上通过螺栓连接的方式安装对应的四个橡胶底座（12）；

所述的控制驱动单元（Ⅱ）包含一个电控柜（24），电机控制板（23），步进电机驱动器（22）以及开关（25）。控制板（23）通过螺栓连接的方式固定在电控柜（24）中，驱动器（22）通过铝板固定在控制柜中，开关（25）通过旋紧方式固定在控制柜的柜门上。驱动板引出12根线分别与三个模组（9）中步进电机的A+ A- B+ B-相相连接，两根线与机械手抓的直流电机（26）相连，通过控制驱动单元（Ⅱ）来对柔性杆（6）和机械手抓（1）进行控制。

一种根据上述的柔性杆驱动曲率连续变化机器人的控制方法，其特征在于，包含操作步骤如下：

1）通过对柔性杆驱动的曲率连续变化的机器人进行数学建模，在前端面和机械臂末端端面建立相应的基坐标系和末端坐标系，并通过计算得出其运动学方程，得到相应状态数据。使装置上电，通过程序的编写控制使三个滑块先后向负方向运动，直至触发各自的位于初始位置一端的限位开关，分别触发三个点触开关，并使三个电机运动至零点位置。

2）当需要抓取物体时，通过所给定的目标物体的位置信息，然后通过运动学公式运算，计算末端到达目标位置时三根主动杆长度的数值，通过计算机和驱动板控制步进电机转动，并通过编码器检测电机转动的状态，从而使三根主动杆精确的移动至所需长度，同时带动三根从动杆运动。

3）若滑块移动至丝杠的极限位置，将触发安装在模组上的限位开关，随即整个系统断电并停止运行。若滑块未触发限位开关，则通过滑块的移动，控制三根主动杆的长度变化，使装置末端到达目标位置。

4）当该机械装置末端到达目标位置之后，通过驱动板控制安装于机械手中的电机转动，机械手张开，实现目标物体的抓取动作。当抓取动作完成后，驱动板控制三个位于模组的电机转动，末端运动到指定放置物体的位置，机械手张开，将物体释放。

5）在整个运动过程中，安装于机械装置末端的陀螺仪传感器会采集机械臂末端绕基坐标轴转动的相关数据，反馈给计算机，计算机对反馈回来的数据进行计算，并补偿末端机械手与所抓取物体之间的姿态偏差，从而使机械手能够更好地调整好姿态，以最优的方式对目标物体进行抓取。

上述的控制模块采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP 和FPGA 中一种或几种的组合，控制模块内含有A/D 转换子模块。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：

1.该发明的机械臂采用玻璃纤维柔性杆进行驱动，与传统的刚性机械臂比，质量轻、成本低。

2.该发明的机械臂具有三个自由度，两个弯曲自由度，一个移动自由度，在弯曲自由度上，机械臂在其运动空间内可以任意方向上弯曲，没有奇异点。

3.该发明的末端手抓的姿态，通过陀螺仪测得的角度参数和电机的位移参数在运动算法中求得，方法简单，操作方便。

4.该发明提供的是一个开放性平台，在其控制模块部分可以加入视觉等其它反馈，使机器人的精度得到进一步提高，具有高开放性、较高的科研价值。

附图说明

图1是柔性杆驱动的曲率连续变化机器人的总体结构示意图。

图2是本发明柔性机械臂的立体视图。

图3是本发明滑轮固定板固定滑轮的方式。

图4是模组固定方式图。

图5是星型结构固定方式图。

图6是控制驱动单元图。

图7是机械手抓结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

实施例一：参见图1，本柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，所述PC（Ⅰ）与控制驱动单元（Ⅱ）之间采用的是并口线进行连接与通信，控制驱动单元（Ⅱ）与机械臂单元（Ⅲ）中的步进电机对应连接；使用PC进行程序的编写，通过并行传输的方式将控制指令传输至控制驱动单元（Ⅱ），分别控制机械臂单元（Ⅲ）的步进电机，该电机转动的带动，使机械臂单元（Ⅲ）进行运动。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述机械臂单元（Ⅲ）包括机械手抓（1）、陀螺仪（2）、末端金属圆盘（3）、六根柔性玻璃纤维杆（5,6）、星型结构（4，7，8）、铝合金框架（11），矩形导轮板（14）、T形导轮板（15）、（含有步进电机及编码器的）模组（9）、三组限位开关（10）、杆固定支座（18）、六棱柱结构体（17）、橡胶底座（12）；所述机械手抓（1）的末端通过螺栓螺母紧固的方式与末端圆盘（3）进行固定连接，陀螺仪（2）通过螺栓连接的方式与末端圆盘（3）进行连接；所述六根柔性玻璃纤维杆（5,6）的一端含螺纹，分别呈六十度均布的方式将其与末端金属圆盘（3）的另一端面进行螺纹连接并固定；六根中起主动驱动的三根柔性杆（6）的另一端通过螺栓紧定的方式与杆固定支座（18）连接在一起，杆固定支座（18）通过螺栓分别与三个模组（9）的滑块固定连接在一起，而六根柔性杆中起从动作用的三根柔性杆（5）的另一端穿插在与铝合金框架（11）安装在一起的三组滑轮（13）中，与滑轮的V面贴合；所述矩形导轮板（14）通过螺栓连接分别安装在三根铝合金支杆（16）的侧面上，矩形导轮板（14）上打有通孔，两个导轮（13）安装于两块矩形导轮板（14）中间，采用螺栓螺母连接的方式进行安装，在三根铝合金支杆（16）的前后两侧分别用螺栓连接的方式安装两个T型导轮板（15），T型导轮板（15）上打有通孔，对应的两个导轮（13）采用螺栓连接的方式安装在两个T型导轮板（15）之间；所述机械手抓（1）包含三个手指（29）、支杆（30）、联轴器（27）和一个直流电机（26），三根手指之间呈120度均布，每根手指末端与支杆（30）采用转动副（28）进行连接，支杆中的轴与直流电机（26）之间采用联轴器（27）连接并进行传动；所述有三个星型结构（4,7,8），其中两个星型结构（4,8）含有三个呈120度均布的支杆，一个星型结构（7）含有六个呈60度分布的支杆，每根支杆（20）两端分别含左旋与右旋两种螺纹，将支杆一端的左旋螺纹与末端含有通孔的金属块（19）相连，右旋螺纹与星型结构中心的圆块（21）相连，通过旋转支杆可以调节中间圆块（21）与末端金属块（19）之间的距离；将含有六个支杆的星型结构（7）安置在机械臂单元（Ⅲ）的中部，并将含有三个支杆（4,8）的星型结构安装于机械臂单元（Ⅲ）两侧，分别将六根柔性杆通过三个星型结构（4,7,8,）对应的末端孔中，采用螺杆与螺母对柔性杆进行夹紧固定，避免其产生轴向移动；所述三个模组（9）分别通过螺栓固定在六棱柱结构体（17）互不相邻的两个面上，模组（9）上的滑块与杆固定支座（18）之间采用螺栓连接的方式，六棱柱结构体（17）的另外三个面通过三角体结构以及螺栓与三个铝合金支杆（16）相连，三根铝合金支杆（16）通过螺栓与铝合金框架（11）固定连接，并呈120度分布安装，铝合金框架（11）中的铝合金杆采用三角体结构和螺栓进行连接和紧固，在铝合金框架的下部的四个支点上通过螺栓连接的方式安装对应的四个橡胶底座（12）；所述的控制驱动单元（Ⅱ）包含一个电控柜（24）、电机控制板（23）、步进电机驱动器（22）以及开关（25），电机控制板（23）通过螺栓连接的方式固定在电控柜（24）中，步进电机驱动器（22）通过铝板固定在控制柜（24）中，开关（25）通过旋紧方式固定在控制柜（24）的柜门上；驱动板引出12根线分别与三个模组（9）中步进电机的A+ A- B+ B-相相连接，两根线与机械手抓的直流电机（26）相连，通过控制驱动单元（Ⅱ）来对柔性杆（6）和机械手抓（1）进行控制。

实施例三：柔性驱动的曲率连续变化机器人的一种实施例如图1 所示，PC（Ⅰ），控制驱动单元（Ⅱ），一个机械臂单元（Ⅲ）；

所述机械臂单元（Ⅲ），如图2所示，包括一个操纵臂(3、4、5、6、7、8)，一个前端的抓取手抓（1），一个传感和测量单元（2）以及控制单元（9）。

1）通过对基于柔性杆驱动的并联机器人进行数学建模，建立相应的基坐标系和末端坐标系，并通过计算得出其运动学方程，得到相应状态数据。使装置23上电，pc机会发出指令到模组9控制使三个滑块先后向负方向运动，直至触发各自的位于初始位置的限位开关，然后分别触发三个点触开关，并使三个电机运动至零点位置。

2）当需要抓取物体时，通过所给定的目标物体的位置信息，然后通过运动学公式结算，计算末端到达目标位置时三根主动杆长度的数值，通过计算机和驱动板精确控制步进电机转动，从而使三根主动杆移动至所需长度，在此期间，通过安装在模组9后端的编码器采集电机转动的数据，形成闭环，并带动三根从动杆运动。

3）若滑块移动至丝杠的极限位置，将触发安装在模组上的限位开关，随即整个系统断电并停止运行。若滑块未触发限位开关，则通过滑块的移动，控制三根主动杆的长度变化，使装置末端到达目标位置。

4）当该机械装置末端到达目标位置之后，通过驱动板控制安装于机械手中的电机转动，机械手1张开，实现目标物体的抓取动作。当抓取动作完成后，驱动板23控制三个位于模组9的电机转动，末端运动到指定放置物体的位置，机械手张开，将物体释放。

5）在整个运动过程中，安装于机械装置末端的陀螺仪2传感器会采集机械臂末端绕坐标轴转动的相关数据，反馈给计算机，计算偏差之后，计算机对反馈回来的数据进行计算，并补偿末端机械手与所抓取物体之间的姿态偏差，从而使机械手能够更好地调整好姿态，以最优的方式对目标物体进行抓取。

Claims (6)

1.一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，包括PC(Ⅰ)，控制驱动单元(Ⅱ)和一个机械臂单元(Ⅲ)，其特征在于:所述PC(Ⅰ)与控制驱动单元(Ⅱ)之间采用的是并口线进行连接与通信，控制驱动单元(Ⅱ)与机械臂单元(Ⅲ)中的步进电机对应连接；使用PC进行程序的编写，通过并行传输的方式将控制指令传输至控制驱动单元(Ⅱ)，分别控制机械臂单元(Ⅲ)的步进电机，该电机转动的带动，使机械臂单元(Ⅲ)进行运动；

所述机械臂单元(Ⅲ)包括机械手抓(1)、陀螺仪(2)、末端金属圆盘(3)、六根柔性玻璃纤维杆(5,6)、星型结构(4，7，8)、铝合金框架(11)，矩形导轮板(14)、T形导轮板(15)、(含有步进电机及编码器的)模组(9)、三组限位开关(10)、杆固定支座(18)、六棱柱结构体(17)、橡胶底座(12)；所述机械手抓(1)的末端通过螺栓螺母紧固的方式与末端圆盘(3)进行固定连接，陀螺仪(2)通过螺栓连接的方式与末端圆盘(3)进行连接；所述六根柔性玻璃纤维杆(5,6)的一端含螺纹，分别呈六十度均布的方式将其与末端金属圆盘(3)的另一端面进行螺纹连接并固定；六根中起主动驱动的三根柔性杆(6)的另一端通过螺栓紧定的方式与杆固定支座(18)连接在一起，杆固定支座(18)通过螺栓分别与三个模组(9)的滑块固定连接在一起，而六根柔性杆中起从动作用的三根柔性杆(5)的另一端穿插在与铝合金框架(11)安装在一起的三组滑轮(13)中，与滑轮的V面贴合；所述矩形导轮板(14)通过螺栓连接分别安装在三根铝合金支杆(16)的侧面上，矩形导轮板(14)上打有通孔，两个导轮(13)安装于两块矩形导轮板(14)中间，采用螺栓螺母连接的方式进行安装，在三根铝合金支杆(16)的前后两侧分别用螺栓连接的方式安装两个T型导轮板(15)，T型导轮板(15)上打有通孔，对应的两个导轮(13)采用螺栓连接的方式安装在两个T型导轮板(15)之间。

2.根据权利要求1所述的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于:所述机械手抓(1)包含三个手指(29)、支杆(30)、联轴器(27)和一个直流电机(26)，三根手指之间呈120度均布，每根手指末端与支杆(30)采用转动副(28)进行连接，支杆中的轴与直流电机(26)之间采用联轴器(27)连接并进行传动。

3.根据权利要求1所述的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于:有三个星型结构(4,7,8)，其中两个星型结构(4,8)含有三个呈120度均布的支杆，一个星型结构(7)含有六个呈60度分布的支杆，每根支杆(20)两端分别含左旋与右旋两种螺纹，将支杆一端的左旋螺纹与末端含有通孔的金属块(19)相连，右旋螺纹与星型结构中心的圆块(21)相连，通过旋转支杆可以调节中间圆块(21)与末端金属块(19)之间的距离；将含有六个支杆的星型结构(7)安置在机械臂单元(Ⅲ)的中部，并将含有三个支杆的星型结构(4,8)安装于机械臂单元(Ⅲ)两侧，分别将六根柔性杆通过三个星型结构(4,7,8,)对应的末端孔中，采用螺杆与螺母对柔性杆进行夹紧固定，避免其产生轴向移动。

4.根据权利要求1所述的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于:所述三个模组(9)分别通过螺栓固定在六棱柱结构体(17)互不相邻的两个面上，模组(9)上的滑块与杆固定支座(18)之间采用螺栓连接的方式，六棱柱结构体(17)的另外三个面通过三角体结构以及螺栓与三个铝合金支杆(16)相连，三根铝合金支杆(16)通过螺栓与铝合金框架(11)固定连接，并呈120度分布安装，铝合金框架(11)中的铝合金杆采用三角体结构和螺栓进行连接和紧固，在铝合金框架的下部的四个支点上通过螺栓连接的方式安装对应的四个橡胶底座(12)。

5.根据权利要求1所述的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于:所述的控制驱动单元(Ⅱ)包含一个电控柜(24)、电机控制板(23)、步进电机驱动器(22)以及开关(25)，电机控制板(23)通过螺栓连接的方式固定在电控柜(24)中，步进电机驱动器(22)通过铝板固定在控制柜(24)中，开关(25)通过旋紧方式固定在控制柜(24)的柜门上；驱动板引出12根线分别与三个模组(9)中步进电机的A+ A- B+ B-相相连接，两根线与机械手抓的直流电机(26)相连，通过控制驱动单元(Ⅱ)来对柔性杆(6)和机械手抓(1)进行控制。

6.一种根据权利要求1所述的柔性杆驱动曲率连续变化的机器人的控制方法，其特征在于包含如下操作步骤：

1)通过对柔性杆驱动的曲率连续变化的机器人进行数学建模，在前端面和机械臂末端端面建立相应的基坐标系和末端坐标系，并通过计算得出其运动学方程，得到相应状态数据，使装置上电，通过程序的编写控制使三个滑块先后向负方向运动，直至触发各自的位于初始位置一端的限位开关，分别触发三个点触开关，并使三个电机运动至零点位置；

2)当需要抓取物体时，通过所给定的目标物体的位置信息，然后通过运动学公式运算，计算末端到达目标位置时三根主动杆长度的数值，通过计算机和驱动板控制步进电机转动，并通过编码器检测电机转动的状态，从而使三根主动杆精确的移动至所需长度，同时带动三根从动杆运；

3)若滑块移动至丝杠的极限位置，将触发安装在模组上的限位开关，随即整个系统断电并停止运行；若滑块未触发限位开关，则通过滑块的移动，控制三根主动杆的长度变化，使装置末端到达目标位置；

4)当该机械臂单元末端到达目标位置之后，通过驱动板控制安装于机械手中的电机转动，机械手张开，实现目标物体的抓取动作；当抓取动作完成后，驱动板控制三个位于模组的电机转动，末端运动到指定放置物体的位置，机械手张开，将物体释放；

5)在整个运动过程中，安装于机械臂单元末端的陀螺仪传感器会采集机械臂末端绕基坐标轴转动的相关数据，反馈给计算机，计算机对反馈回来的数据进行计算，并补偿末端机械手与所抓取物体之间的姿态偏差，从而使机械手能够更好地调整好姿态，以最优的方式对目标物体进行抓取。