CN108312160B - 一种用于狭窄空间探测的柔性机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于狭窄空间探测的柔性机器人，包括控制单元、电机单元、气动单元、线缆单元和伸缩套管单元，其中所述控制单元分别与所述电机单元、所述气动单元连接，所述线缆单元包括多根线缆，多根所述线缆的第一端分别固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的内壁处，第二端分别从所述伸缩套管单元的第二端穿出后连接在所述电机单元上以通过所述电机单元控制多根所述线缆的伸缩；所述伸缩套管单元的第一端为封闭式结构，所述气动单元用于从所述伸缩套管单元的第二端向所述伸缩套管内充气或进行抽气。本发明既实现了高精度控制，又能实现连续性机械臂的伸长运动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于狭窄空间探测的柔性机器人。
背景技术
近年来根据大象鼻子、章鱼触手以及蛇体等生物器官，基于仿生学，连续型机械臂得到了很好的发展。连续型机械臂不同于传统的刚性机械臂，理论上具有无穷个自由度，利用本体的变形使机械臂可以连续弯曲或者伸长，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动。通过改变自身的外形，连续型机械臂可以灵活地绕过各种障碍物，或穿过狭小弯曲的孔洞，非常适合非结构化环境和空间受限环境应用。
目前，连续型机械臂的驱动方式主要可以分为四种，即线缆驱动、流体驱动、智能材料驱动以及磁性驱动。各种驱动方式具有不同的优缺点，其中线缆驱动能够通过软管或滑轮能将位置/力传送到远处，可以跨越有限的空间并在复杂的环境中操纵对象，还具有轻便，简单，生物兼容，安全和灵活等特点；但是线缆只能单向受力，不能实现连续型机械臂的伸长运动。流体驱动利用了柔性结构可在来自流体(气体或液体)致动的施加压力下变形的原理，当连续机器人内腔压力不同时可以实现不同长度的伸长运动；但是流体驱动的控制精度较差。智能材料，主要指形状记忆合金(SMA)和压电致动器，工作密度大，生物兼容性好，形状多样，但是其致动频率低，加热温度高，冷却时间长。磁性驱动使用磁场而不需要“连杆”来致动，这种类型的致动器完全去除了传输装置，使得系统更简单，但是磁场暴露在模型中的高滞后，非线性和相互作用力限制了其使用范围。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种用于狭窄空间探测的柔性机器人，既实现了高精度控制，又能实现连续性机械臂的伸长运动。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种用于狭窄空间探测的柔性机器人，包括控制单元、电机单元、气动单元、线缆单元和伸缩套管单元，其中所述控制单元分别与所述电机单元、所述气动单元连接，所述线缆单元包括多根线缆，多根所述线缆的第一端分别固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的内壁处，第二端分别从所述伸缩套管单元的第二端穿出后连接在所述电机单元上以通过所述电机单元控制多根所述线缆的伸缩；所述伸缩套管单元的第一端为封闭式结构，所述气动单元用于从所述伸缩套管单元的第二端向所述伸缩套管内充气或进行抽气。
优选地，该用于狭窄空间探测的柔性机器人还包括转向导轮，所述转向导轮固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于辅助所述伸缩套管单元的第一端进行转向。
优选地，该用于狭窄空间探测的柔性机器人还包括摄像单元，所述控制单元与所述摄像单元连接，所述摄像单元固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于拍摄所述伸缩套管单元的第一端的前方的图像或视频并回传至所述控制单元。
优选地，该用于狭窄空间探测的柔性机器人还包括距离传感器，所述控制单元与所述距离传感器连接，所述距离传感器固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于测量所述伸缩套管单元的第一端与前方的障碍物的距离并反馈给所述控制单元。
优选地，所述电机单元包括电机和多个绕线轮，所述电机分别连接多个所述绕线轮以带动多个所述绕线轮转动，多根所述线缆的第二端分别从所述伸缩套管单元的第二端穿出后一一连接在多个所述绕线轮上以将多根所述线缆分别缠绕在多个所述绕线轮上。
优选地，所述气动单元包括气泵、电磁阀和气压传感器，所述气泵用于从所述伸缩套管单元的第二端向所述伸缩套管内充气或进行抽气，所述电磁阀设置在所述伸缩套管单元的第二端的端口处，所述气压传感器设置在所述伸缩套管单元内。
优选地，多根所述线缆的第一端均匀分布地固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的内壁的外轮廓上。
优选地，所述伸缩套管单元包括依次相互连接的至少一节伸缩套管，所述伸缩套管采用波纹管结构。
优选地，所述伸缩套管采用铝锡材料制成。
优选地，该用于狭窄空间探测的柔性机器人还包括车架，所述控制单元、所述气动单元、所述线缆单元和所述伸缩套管单元分别连接设置在所述车架上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的用于狭窄空间探测的柔性机器人通过设置气动单元和线缆单元来分别对伸缩套管单元进行控制，可以实现高效地伸长和收缩，其中气动伸长速度快，同时辅助线缆驱动既实现了高精度控制，又能实现连续性机械臂的伸长运动；而且通过对多根线缆的分别控制，方便对伸缩套管单元进行前进、后退、转弯等操作以在狭窄空间进行自由探测，另外通过线缆收回可以压得很紧以完全恢复至零位置，便于储存。
在进一步的实施例中，在伸缩套管单元的第一端的外壁处可以设有转向导轮、摄像单元或者距离传感器，通过转向导轮，可以减小对伸缩套管单元的第一端端头处的磨损，防止猛烈撞击或卡死；通过摄像单元反馈的图像或视频或者距离传感器反馈的与前方障碍物的距离，方便在狭窄空间内探测时做出相应的响应。
附图说明
图1是本发明优选实施例的用于狭窄空间探测的柔性机器人的结构示意图；
图2是图1中的柔性机器人在狭窄空间探测的示意图；
图3a是图1中的柔性机器人的伸缩套管单元收缩状态示意图；
图3b是图1中的柔性机器人的伸缩套管单元拉伸状态示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明优选实施例的用于狭窄空间探测的柔性机器人包括车架10、控制单元20、电机单元(图中未示)、气动单元(图中未示)、线缆单元30、伸缩套管单元40、转向导轮50、摄像单元60、距离传感器(图中未示)，其中控制单元20、电机单元、气动单元、线缆单元30、伸缩套管单元40分别连接设置在车架10上，控制单元20分别连接并控制电机单元、气动单元、摄像单元60、距离传感器。
在本实施例中，线缆单元30包括两根线缆，两根线缆的第一端分别固定连接在伸缩套管单元40的第一端内壁的左右两侧(在其他实施例中，如果线缆单元30包括大于两根的线缆，则多根线缆的第一端均匀分布地固定连接在伸缩套管单元40的第一端内壁的外轮廓上，例如线缆单元30包括四根线缆，则四根线缆的第一端分别固定连接在伸缩套管单元40的第一端内壁的上下左右侧)，第二端分别从伸缩套管单元40的第二端穿出并连接在电机单元上以通过电机单元控制两根线缆的伸缩；伸缩套管单元40的第一端为封闭式结构，气动单元用于从伸缩套管单元40的第二端向伸缩套管单元40内充气或进行抽气。
转向导轮50、摄像单元60和距离传感器分别固定连接在伸缩套管单元40的第一端的外壁处，转向导轮50用于辅助伸缩套管单元40的第一端进行转向；摄像单元60用于拍摄伸缩套管单元40的第一端的前方的图像或视频并回传至控制单元20；距离传感器用于测量所述伸缩套管单元的第一端与前方的障碍物的距离并反馈给控制单元20。
电机单元包括电机和两个绕线轮，电机分别连接两个绕线轮以带动两个绕线轮转动，两根线缆的第二端分别从伸缩套管单元40的第二端穿出并一一连接在两个绕线轮上以将两根线缆分别缠绕在两个绕线轮上。
气动单元包括气泵、电磁阀和气压传感器，其中气泵用于从伸缩套管单元40的第二端向伸缩套管单元40内充气或进行抽气，电磁阀设置在伸缩套管单元40的第二端的端口处以控制伸缩套管单元40内的充气状态，气压传感器设置在伸缩套管单元内以监测伸缩套管单元40内的充气气压，并根据该充气气压来调节气泵是否充气或抽气。
伸缩套管单元40可以包括一节伸缩套管，也可以包括依次相互连接的多节伸缩套管，形成机械臂的臂段，其中多节伸缩套管的最后一节的第一端是封闭式结构，其他节伸缩套管的两端都是连通的，且伸缩套管可以采用大小头设计，即一端直径稍大，另一端直径稍小，便于各节伸缩套管之间对接延长，便于扩展机械臂的臂段；在本实施例中，伸缩套管采用波纹管结构，可以便于伸长压缩，具体可以采用铝锡材料制成。
结合图2所示，本发明优选实施例的用于狭窄空间探测的柔性机器人在狭窄管道100内的工作过程如下：启动柔性机器人，开启摄像单元60，控制单元20接收摄像单元60的图像的视频信息，操作员根据视频信息将柔性机器人移动至合适的位置，控制单元20控制气泵向伸缩套管单元40内腔充气，此时伸缩套管单元40伸长，线缆随着伸缩套管单元40的伸长而伸长，但是线缆始终处于张紧状态，张紧力处于一个较小的范围内；当距离传感器反馈的伸缩套管单元40的第一端与前方的障碍物的距离小于预定阈值时，操作员可以适时停止充气，使五位三通电磁阀保持中封状态，回收右侧线缆，此时伸缩套管单元40向右侧弯曲，如果伸缩套管单元40与左壁发生碰撞，伸缩套管单元40的第一端的转向导轮会先与墙壁接触，转向导轮转动，减少伸缩套管单元40与墙壁的摩擦力，从而辅助转向，减少伸缩套管单元40与墙壁的碰撞，避免产生不必要的变形。待转向完成，恢复右侧线缆的长度，使其与左侧线缆长度相同，再次向内腔充气，使伸缩套管单元40得第一端继续向前伸长，直到目标位置；停止充气，电磁阀处于排气状态，由于伸缩套管单元40的每节伸缩套管采用波纹管结构，排气后伸缩套管单元40仍能保持伸长后的长度；探测完毕后，同时收紧左右两侧的线缆，使伸缩套管单元40收缩回初始状态，关机，停止工作。其中伸缩套管单元40的收缩状态如图3a，拉伸状态如图3b。
本发明优选实施例的用于狭窄空间探测的柔性机器人的机械臂部分采用线缆驱动和气体驱动相结合的混合驱动方式，其中气体驱动用来实现轴向的伸长运动，当向伸缩套管单元内充气时，伸缩套管单元伸长，充气量不同，伸长的长度不同；当放气时，伸缩套管单元仍能保持伸长后的长度不变，再通过线缆驱动来实现伸缩套管单元的弯曲和收缩。其中当向伸缩套管单元内充气时，两根线缆随着伸缩套管单元的伸长而伸长，当回收一侧线缆时，伸缩套管单元可以向该侧弯曲，当同时拉紧两根线缆时，伸缩套管单元将会轴向收缩。
对于狭窄空间的救援和探测问题而言，刚性机械臂自由度受到关节数量的限制，刚性连杆不能根据环境的变化灵活变换臂形，安全性差；而本发明优选实施例的用于狭窄空间探测的柔性机器人利用伸缩套管单元的变形可以连续弯曲或者伸长，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动，由于其良好的柔顺性，可以灵活地绕过各种障碍物，或穿过狭小的孔洞；并且可以承受能量冲击，避免与周围的环境发生强烈碰撞，非常适合在非结构化和空间受限环境中作业。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，包括控制单元、电机单元、气动单元、线缆单元、转向导轮和伸缩套管单元，其中所述控制单元分别与所述电机单元、所述气动单元连接，所述线缆单元包括多根线缆，多根所述线缆的第一端分别固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的内壁处，第二端分别从所述伸缩套管单元的第二端穿出后连接在所述电机单元上以通过所述电机单元控制多根所述线缆的伸缩；所述伸缩套管单元的第一端为封闭式结构，所述气动单元用于从所述伸缩套管单元的第二端向所述伸缩套管内充气或进行抽气；所述转向导轮固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于辅助所述伸缩套管单元的第一端进行转向；所述伸缩套管单元包括依次相互连接的至少一节伸缩套管，所述伸缩套管采用波纹管结构。
2.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，还包括摄像单元，所述控制单元与所述摄像单元连接，所述摄像单元固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于拍摄所述伸缩套管单元的第一端的前方的图像或视频并回传至所述控制单元。
3.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，还包括距离传感器，所述控制单元与所述距离传感器连接，所述距离传感器固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的外壁处，用于测量所述伸缩套管单元的第一端与前方的障碍物的距离并反馈给所述控制单元。
4.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，所述电机单元包括电机和多个绕线轮，所述电机分别连接多个所述绕线轮以带动多个所述绕线轮转动，多根所述线缆的第二端分别从所述伸缩套管单元的第二端穿出后一一连接在多个所述绕线轮上以将多根所述线缆分别缠绕在多个所述绕线轮上。
5.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，所述气动单元包括气泵、电磁阀和气压传感器，所述气泵用于从所述伸缩套管单元的第二端向所述伸缩套管内充气或进行抽气，所述电磁阀设置在所述伸缩套管单元的第二端的端口处，所述气压传感器设置在所述伸缩套管单元内。
6.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，多根所述线缆的第一端均匀分布地固定连接在所述伸缩套管单元的第一端的内壁的外轮廓上。
7.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，所述伸缩套管采用铝锡材料制成。
8.根据权利要求1所述的用于狭窄空间探测的柔性机器人，其特征在于，还包括车架，所述控制单元、所述气动单元、所述线缆单元和所述伸缩套管单元分别连接设置在所述车架上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |