CN105922244B - 一种线驱动的曲率连续变化机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线驱动的曲率连续变化机器人，包括PC，控制驱动单元和整体机械结构组件，所述PC与控制驱动单元采用并口线进行连接与通信，所述控制驱动单元安装在整体机械结构组件上，并与整体机械结构组件中的电机组单元对应连接，通过PC与控制驱动单元分别控制整体机械结构单元中的电机组单元，该电机组单元中的电机转动来改变与每个电机对应的拉线的长度，使整体机械结构组件中的线驱动柔性单元运动。相比传统的机械臂装置，本发明自由度多，运动空间内任意弯曲，无死角，具有较高的使用和科研价值。

Description

一种线驱动的曲率连续变化机器人
技术领域
本发明涉及一种线驱动的曲率连续变化机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
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。象鼻子概念机器人的研究及控制具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提出了一种线驱动的曲率连续变化机器人，具有多个自由度，能够向空间任意方向弯曲，具有较好的柔性。同时该装置还是一个开放的平台，可以增加关节，让其自由度更加丰富，完成动作更加细腻。
为达到上述目的，本发明构思如下：
通过对线驱动的曲率连续变化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。指定机械手在空间到达的位置，在数学模型中建立机械手空间位置坐标，根据计算得到运动学方程，分析计算四个关节的各自旋转和弯曲角度，从而计算得到16跟驱动线各处于何种长度的时候柔性驱动单元可以将机械手送到指定的位置，从而得到16个电机各自需要转动的角度。在整个运动过程中，安装于各个关节末端圆盘上面的陀螺仪会采集各个关节的位置信息，反馈给控制驱动单元，控制驱动单元计算设定值与真实值的误差，并补偿各关节处的姿态偏差，从而使机械手达到指定的状态，以最优的方式去抓取目标。
基于上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种线驱动的曲率连续变化机器人，包括PC，控制驱动单元和整体机械结构组件，所述PC与控制驱动单元采用并口线进行连接与通信，所述控制驱动单元安装在整体机械结构组件上，并与整体机械结构组件中的电机组单元对应连接，通过PC与控制驱动单元分别控制整体机械结构单元中的电机组单元，该电机组单元中的电机转动来改变与每个电机对应的拉线的长度，使整体机械结构组件中的线驱动柔性单元运动。
所述整体机械结构组件包括电机组单元、线驱动柔性单元和支架单元，所述电机组单元通过下支撑板和螺栓固定在支架单元上，所述线驱动柔性单元通过电机组单元中的圆盘固定安装支架安装在下支撑板的下方。
所述电机组单元包括上盖板、四个电机组、四个滑轮组、下支撑板、圆盘固定安装支架，所述电机组与滑轮组绕安装中心呈90度均布，安装在上盖板和下支撑板之间。
所述电机组包括螺钉、螺栓、电机组上盖板、电机安装板、四个电机、四个绕线轮、锁紧螺钉、线槽、电机组下支撑板，所述绕线轮通过锁紧螺钉固定联结于电机的转轴上，电机通过螺钉与电机安装板固定联结，电机安装板上端面通过螺钉与电机组上盖板固定联结，电机安装板下端面通过螺钉与电机组下支撑板固定联结，电机组上盖板通过螺栓与上盖板固定联结，电机组下支撑板通过螺栓与下支撑板固定联结，线槽固定在四个电机的后部。
所述滑轮组包括螺钉、螺栓、滑轮架上支撑板、滑轮轴、支撑定位轴、支撑轴套、滑轮安装板、八个滑轮、滑轮架下支撑板，所述滑轮通过滑轮轴安装在两个滑轮安装板之间，支撑定位轴安装于两个滑轮安装板之间，支撑轴套安装于支撑定位轴上，两个滑轮安装板的上端面通过螺钉与滑轮架上支撑板固定联结，两个滑轮安装板的下端面通过螺钉与滑轮架下支撑板固定联结，滑轮架上支撑板通过螺栓与上盖板固定联结，滑轮架下支撑板通过螺栓与下支撑板固定联结。
所述线驱动柔性单元包括圆盘、弹簧、中心轴、螺母、万向节联轴器、驱动线、机械手和陀螺仪，所述线驱动柔性单元共分为四个关节，每个关节有四个相同圆盘，四个关节的圆盘由上到下直径依次减小，第一关节的第一个圆盘通过螺栓与圆盘固定安装支架固定联结，每两个圆盘之间通过中心轴、螺母和万向节联轴器相互联结，并且在每两个圆盘外边缘有四根均匀分布的弹簧分别挂在两圆盘的外缘孔上，四个陀螺仪分别通过螺栓固定安装在四个关节末端的圆盘上；所述驱动线共有四种长度规格，共计16根，每个关节四根，且下一关节的驱动线在穿过本关节四个圆盘后均穿过上一关节的所有圆盘，驱动线的一端固定在本关节最下面圆盘的底部，另一端穿过滑轮组固定在绕线轮上，所述机械手安装在第四关节末端的圆盘上。
所述机械手包括安装支架、机械手电机、连杆和手爪，所述安装支架通过螺栓与线驱动柔性单元中最末端圆盘固定联结，所述机械手电机安装在安装支架内，机械手电机的输出轴与连杆连接，手爪铰接在安装支架上，连杆的另一端铰接在手爪上。
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：
本发明采用驱动线拉伸驱动，与传统的刚性机械臂相比，质量轻、成本低。本发明具有30个自由度，机械臂可以在运动空间内任意弯曲，没有奇异点。本发明的每个关节的末端圆盘均安装一个陀螺仪，机械爪手的姿态可以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，方法简单方便。
本发明提供一个开放性平台，在其控制模块部分可以加入视觉等其他反馈，是机器人的精度得到进一步提高，在现有线驱动柔性单元中可增加减少关节，来满足各种场合需求，具有高开放性、较高的科研价值。
附图说明
图1是一种线驱动的曲率连续变化机器人的总体结构示意图。
图2是本发明控制驱动单元和整体机械结构的总体结构示意图。
图3是本发明整体机械结构中电机组单元的总体结构示意图。
图4是本发明的电机组单元的爆炸图。
图5是本发明的电机组单元中的滑轮组爆炸图。
图6是本发明的电机组单元中的电机组爆炸图。
图7是本发明整体机械结构中的线驱动柔性单元总体结构示意图。
图8是本发明线驱动柔性单元的拉线图。
图9是本发明线驱动柔性单元的相邻两圆盘的结构示意图。
图10是本发明相邻两圆盘结构示意图的爆炸图。
图11是本发明四个关节的各个圆盘示意图。
图12是本发明线驱动柔性单元的机械手示意图。
图13是本发明整体机械结构中的支架单元示意图。
图14是一种线驱动的曲率连续变化机器人在工作状态下的单弯曲立体视图。
图15是一种线驱动的曲率连续变化机器人在工作状态下的双弯曲立体视图。
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。
参见图1-图14，一种线驱动的曲率连续变化机器人，包括PCI，控制驱动单元II和整体机械结构组件III，所述PCI与控制驱动单元II采用并口线进行连接与通信，所述控制驱动单元II安装在整体机械结构组件III上，并与整体机械结构组件III中的电机组单元1对应连接，通过PCI与控制驱动单元II分别控制整体机械结构单元III中的电机组单元1，该电机组单元1中的电机转动来改变与每个电机对应的拉线的长度，使整体机械结构组件III中的线驱动柔性单元2运动。
如图1和图2所示，所述整体机械结构组件III包括电机组单元1、线驱动柔性单元2和支架单元3，所述电机组单元1通过下支撑板7和螺栓9固定在支架单元3上，所述线驱动柔性单元2通过电机组单元1中的圆盘固定安装支架24安装在下支撑板7的下方。
如图3和图4所示，所述电机组单元1包括上盖板4、四个电机组5、四个滑轮组6、下支撑板7、圆盘固定安装支架24，所述电机组5与滑轮组6绕安装中心呈90度均布，安装在上盖板4和下支撑板7之间。
如图6所示，所述电机组5包括螺钉8、螺栓9、电机组上盖板17、电机安装板18、四个电机19、四个绕线轮20、锁紧螺钉21、线槽22、电机组下支撑板23，所述绕线轮20通过锁紧螺钉21固定联结于电机19的转轴上，电机19通过螺钉8与电机安装板18固定联结，电机安装板18上端面通过螺钉8与电机组上盖板17固定联结，电机安装板18下端面通过螺钉8与电机组下支撑板23固定联结，电机组上盖板17通过螺栓9与上盖板4固定联结，电机组下支撑板23通过螺栓9与下支撑板7固定联结，线槽22固定在四个电机19的后部。
如图5所示，所述滑轮组6包括螺钉8、螺栓9、滑轮架上支撑板10、滑轮轴11、支撑定位轴12、支撑轴套13、滑轮安装板14、八个滑轮15、滑轮架下支撑板16，所述滑轮15通过滑轮轴11安装在两个滑轮安装板14之间，支撑定位轴12安装于两个滑轮安装板14之间，支撑轴套13安装于支撑定位轴12上，两个滑轮安装板14的上端面通过螺钉8与滑轮架上支撑板10固定联结，两个滑轮安装板14的下端面通过螺钉8与滑轮架下支撑板16固定联结，滑轮架上支撑板10通过螺栓9与上盖板4固定联结，滑轮架下支撑板16通过螺栓9与下支撑板7固定联结。
如图7、8、9、10、11所示，所述线驱动柔性单元2包括圆盘25、弹簧26、中心轴27、螺母28、万向节联轴器29、驱动线30、机械手31和陀螺仪36，所述线驱动柔性单元2共分为四个关节，每个关节有四个相同圆盘25，四个关节的圆盘25由上到下直径依次减小，第一关节的第一个圆盘25通过螺栓9与圆盘固定安装支架24固定联结，每两个圆盘之间通过中心轴27、螺母28和万向节联轴器29相互联结，并且在每两个圆盘外边缘有四根均匀分布的弹簧26分别挂在两圆盘的外缘孔上，四个陀螺仪36分别通过螺栓9固定安装在四个关节末端的圆盘25上；所述驱动线30共有四种长度规格，共计16根，每个关节四根，且下一关节的驱动线30在穿过本关节四个圆盘25后均穿过上一关节的所有圆盘25，驱动线30的一端固定在本关节最下面圆盘25的底部，另一端穿过滑轮组6固定在绕线轮20上，所述机械手31安装在第四关节末端的圆盘25上。
如图12所示，所述机械手31包括安装支架32、机械手电机33、连杆34和手爪35，所述安装支架32通过螺栓9与线驱动柔性单元2中最末端圆盘25固定联结，所述机械手电机33安装在安装支架32内，机械手电机33的输出轴与连杆34连接，手爪35铰接在安装支架32上，连杆34的另一端铰接在手爪35上。
本发明的工作原理如下：
参见图14和图15，本发明线驱动的曲率连续变化机器人的工作示意图。当PCI发布控制指令到控制驱动单元II时，控制驱动单元II中的控制器便发布指令控制整体机械结构组件III中的电机组单元1中的16个电机19，电机19的运动将拉动绕在其上的驱动线30，从而使驱动线30的长度发生改变，16个电机19根据控制指令将对应的16跟驱动线30长度改变成设定的值，从而使线驱动柔性单元2整体弯曲变形，安装在每个关节末端圆盘的陀螺仪36测定每个关节的旋转弯曲角度，并将其闭环反馈给控制驱动单元II，控制驱动单元II根据反馈回来的信息判定柔性单元2是否达到设定的形状并控制。在达到预定的形状点后，控制驱动单元II发布指令控制机械手31运动抓取物体。抓取物体后，再通过16个电机19的转动使线驱动柔性单元2再次变形，从而将物体送到指定的位置，机械手31张开，将物体释放。

Claims (6)

1.一种线驱动的曲率连续变化机器人，包括PC(I)，控制驱动单元(II)和整体机械结构组件(III)，其特征在于：所述PC(I)与控制驱动单元(II)采用并口线进行连接与通信，所述控制驱动单元(II)安装在整体机械结构组件(III)上，并与整体机械结构组件(III)中的电机组单元(1)对应连接，通过PC(I)与控制驱动单元(II)分别控制整体机械结构组件(III)中的电机组单元(1)，该电机组单元(1)中的电机转动来改变与每个电机对应的拉线的长度，使整体机械结构组件(III)中的线驱动柔性单元(2)运动；
所述线驱动柔性单元(2)包括圆盘(25)、弹簧(26)、中心轴(27)、螺母(28)、万向节联轴器(29)、驱动线(30)、机械手(31)和陀螺仪(36)，所述线驱动柔性单元(2)共分为四个关节，每个关节有四个相同圆盘(25)，四个关节的圆盘(25)由上到下直径依次减小，第一关节的第一个圆盘(25)通过螺栓(9)与圆盘固定安装支架(24)固定联结，每两个圆盘之间通过中心轴(27)、螺母(28)和万向节联轴器(29)相互联结，并且在每两个圆盘外边缘有四根均匀分布的弹簧(26)分别挂在两圆盘的外缘孔上，四个陀螺仪(36)分别通过螺栓(9)固定安装在四个关节末端的圆盘(25)上；所述驱动线(30)共有四种长度规格，共计16根，每个关节四根，且下一关节的驱动线(30)在穿过本关节四个圆盘(25)后均穿过上一关节的所有圆盘(25)，驱动线(30)的一端固定在本关节最下面圆盘(25)的底部，另一端穿过滑轮组(6)固定在绕线轮(20)上，所述机械手(31)安装在第四关节末端的圆盘(25)上。
2.根据权利要求1所述的线驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于：所述整体机械结构组件(III)包括电机组单元(1)、线驱动柔性单元(2)和支架单元(3)，所述电机组单元(1)通过下支撑板(7)和螺栓(9)固定在支架单元(3)上，所述线驱动柔性单元(2)通过电机组单元(1)中的圆盘固定安装支架(24)安装在下支撑板(7)的下方。
3.根据权利要求1或2所述的线驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于：所述电机组单元(1)包括上盖板(4)、四个电机组(5)、四个滑轮组(6)、下支撑板(7)、圆盘固定安装支架(24)，所述电机组(5)与滑轮组(6)绕安装中心呈90度均布，安装在上盖板(4)和下支撑板(7)之间。
4.根据权利要求3所述的线驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于：所述电机组(5)包括螺钉(8)、螺栓(9)、电机组上盖板(17)、电机安装板(18)、四个电机(19)、四个绕线轮(20)、锁紧螺钉(21)、线槽(22)、电机组下支撑板(23)，所述绕线轮(20)通过锁紧螺钉(21)固定联结于电机(19)的转轴上，电机(19)通过螺钉(8)与电机安装板(18)固定联结，电机安装板(18)上端面通过螺钉(8)与电机组上盖板(17)固定联结，电机安装板(18)下端面通过螺钉(8)与电机组下支撑板(23)固定联结，电机组上盖板(17)通过螺栓(9)与上盖板(4)固定联结，电机组下支撑板(23)通过螺栓(9)与下支撑板(7)固定联结，线槽(22)固定在四个电机(19)的后部。
5.根据权利要求3所述的线驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于：所述滑轮组(6)包括螺钉(8)、螺栓(9)、滑轮架上支撑板(10)、滑轮轴(11)、支撑定位轴(12)、支撑轴套(13)、滑轮安装板(14)、八个滑轮(15)、滑轮架下支撑板(16)，所述滑轮(15)通过滑轮轴(11)安装在两个滑轮安装板(14)之间，支撑定位轴(12)安装于两个滑轮安装板(14)之间，支撑轴套(13)安装于支撑定位轴(12)上，两个滑轮安装板(14)的上端面通过螺钉(8)与滑轮架上支撑板(10)固定联结，两个滑轮安装板(14)的下端面通过螺钉(8)与滑轮架下支撑板(16)固定联结，滑轮架上支撑板(10)通过螺栓(9)与上盖板(4)固定联结，滑轮架下支撑板(16)通过螺栓(9)与下支撑板(7)固定联结。
6.根据权利要求1所述的线驱动的曲率连续变化机器人，其特征在于：所述机械手(31)包括安装支架(32)、机械手电机(33)、连杆(34)和手爪(35)，所述安装支架(32)通过螺栓(9)与线驱动柔性单元(2)中最末端圆盘(25)固定联结，所述机械手电机(33)安装在安装支架(32)内，机械手电机(33)的输出轴与连杆(34)连接，手爪(35)铰接在安装支架(32)上，连杆(34)的另一端铰接在手爪(35)上。
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