CN109955235B - 绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，属于机器人技术领域。本发明的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统包括柔性臂模块，柔性臂模块包括若干柔性臂、位于相邻两个柔性臂之间的关节以及穿过若干柔性臂的驱动绳索，关节连接有角度测量单元，角度测量单元能够检测关节的转动角度；运动模块，运动模块能够带动柔性臂模块运动；测试模块，测试模块包括配重块以及位移测量单元，配重块与驱动绳索连接，位移测量单元能够测量驱动绳索的位移量。本发明的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统可以测试关节转动角度与驱动绳索位移变化量之间的关系，从而利用测得的数据对实际柔性机器人进行的运动数据进行修正。

Description

绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统。

背景技术

柔性机器人相对于传统机械臂，有纤细的躯干、冗余的自由度，在复杂多障碍的环境中具有极强的灵活性，因此被广泛应用于核电、航天领域中大型设备的检修、维护、装配等作业任务。

这些狭小空间下的精细作业任务，往往要求柔性机器人具有较高的末端绝对定位精度，然而由于采用绳索驱动，在运动学关节上比较复杂，具有驱动空间、绳索空间、关节空间、操作空间几个层之间的映射关系，实际的绳索模型和理论的模型之间往往具有一定的误差，如：(1)绳索在穿过圆孔时，为了让其运动的误差达到最小，圆孔的尺寸应当尽可能小，尽管如此，考虑到摩擦力的因素，圆孔直径也必定会比绳索的直径大，造成实际的绳索穿过圆孔时，绳索将会贴近圆孔的一侧，影响绳索的空间位置，进一步影响绳索实际的长度；(2)在关节处两个圆盘之间，绳索的过孔处发生方向改变时，往往需要有一个圆弧的过渡段，再到直线段，绳索的长度按照直线段进行计算时，也必定会产生误差。

因此，柔性机器人的精度将是制约这类机器人在狭小空间下精细操作的瓶颈，为了研究其运动学中绳索空间到关节空间的准确关系，有必要搭建一个运动学测试的系统，通过实验测试绳索空间与关节空间之间运动学关系。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，能够测试绳索驱动柔性机器人的柔性臂的运动与驱动绳索的位移之间的关系。

本发明实施例解决上述技术问题所采取的技术方案为：提供一种绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，包括柔性臂模块，所述柔性臂模块包括若干柔性臂、位于相邻两个所述柔性臂之间的关节以及穿过若干所述柔性臂的驱动绳索，所述关节连接有角度测量单元，所述角度测量单元能够检测所述关节的转动角度；运动模块，所述运动模块能够带动所述柔性臂模块运动；测试模块，所述测试模块包括配重块以及位移测量单元，所述配重块与所述驱动绳索连接，所述位移测量单元能够测量所述驱动绳索的位移量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述测试模块还包括滑动连接件，所述滑动连接件包括滑动导轨以及可滑动地设置于所述滑动导轨上的随动滑动块，所述随动滑动块与所述驱动绳索固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述位移测量单元与所述随动滑块连接，以通过检测所述随动滑动块的位移量得到所述驱动绳索的位移量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑动导轨的两端设有限位块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述测试模块还包括前定滑轮、后定滑轮，所述前定滑轮位于所述滑动连接件与所述柔性臂模块之间，所述后定滑轮位于所述滑动连接件与所述配重块之间，所述前定滑轮、所述滑动连接件与所述后定滑轮位于同一直线上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述柔性臂模块设有若干所述驱动绳索，所述测试模块包括与所述驱动绳索数量相等的测量单元，所述测量单元包括所述滑动连接件、所述前定滑轮、所述后定滑轮以及所述配重块。

作为上述技术方案的进一步改进，相邻两个所述柔性臂的连接处设有第一轴孔、第二轴孔，所述第一轴孔与所述第二轴孔相互垂直。

作为上述技术方案的进一步改进，所述关节包括中心块，所述中心块上设有与所述第一轴孔同轴线的第一通孔以及与所述第二轴孔同轴线的第二通孔，所述第一通孔与所述第一轴孔通过长转动销连接，所述第二通孔与所述第二轴孔通过一对短转动销连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述短转动销的端面设有圆弧槽，所述圆弧槽能够与所述长转动销的侧表面贴合。

作为上述技术方案的进一步改进，所述长转动销的中部设有中间孔，所述短转动销设有沿轴线方向设置的连接孔，一对所述短转动销的所述连接孔、所述中间孔同轴线设置，一对所述连接孔、所述中间孔通过螺钉连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述长转动销、所述短转动销分别与所述角度测量单元连接。

作为上述技术方案的进一步改进，若干所述柔性臂模块的末端设有导向轮，所述驱动绳索通过所述导向轮延伸至所述测试模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述运动模块包括三轴移动平台以及球头杆，所述球头杆可滑动地设置于所述三轴移动平台上，所述柔性臂模块与所述球头杆铰接连接。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括光学平台，所述运动模块与所述测试模块安装于所述光学平台上。

本发明的有益效果：

本发明的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统包括运动模块、柔性臂模块、测试模块，通过运动模块驱动柔性臂模块运动，模拟柔性臂模块的运动，通过测试模块检测柔性臂运动时驱动绳索的位移变化量，在柔性臂模块上设置角度测量单元检测关节的转动角度，进而得出驱动绳索位移变化量与关节转动角度之间的关系，利用得出的数据对绳索驱动柔性机器人的运动进行修正。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一个实施例的绳索驱动柔性臂机器人的运动学测试系统的整体结构示意图；

图2为本发明一个实施例的测试模块的结构示意图；

图3为图2中测试模块一个测量单元的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的柔性臂模块的结构示意图；

图5为图4中关节处的结构示意图；

图6为图5的拆分结构示意图；

图7为本发明一个实施例的运动模块的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

请参照图1，本发明实施例提供一种绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，包括测试模块100、柔性臂模块200、运动模块300，通过运动模块300驱动柔性臂模块200运动，模拟柔性臂模块200实际运作时的移动，通过测试模块100检测柔性臂模块200运动时驱动绳索210的位移量，通过角度测量单元检测柔性臂模块200关节处的转动角度，通过得到的转动角度数据与驱动绳索位移数据，与通过运动学计算得到的数据进行比对，最终对绳索驱动柔性机器人的实际运动进行修正。

绳索驱动的柔性机器人多具有多个自由度，如左右、前后、与上下方向上的移动，以及偏航、俯仰、横滚的转动，绳索驱动的柔性机器人通过驱动绳索数量的设置以及多个驱动绳索的配合实现多个自由度的运动。在一个实施例中，为了测量每个驱动绳索的运动数据，如图1与图2，测试模块100设置若干测量单元，每个测量单元检测一个驱动绳索210的运动数据，优选的，本实施例中，选取绳索驱动柔性机器人为6自由度机器人，对应的驱动绳索210有6个，设置6个测量单元测量驱动绳索210的运动数据。

如图3，测量单元包括滑动连接件，滑动连接件与驱动绳索210连接，滑动连接件包括滑动导轨110以及可滑动地设置于滑动导轨110上的随动滑动块111，随动滑动块111与驱动绳索210连接，其随驱动绳索210的运动而在滑动导轨110上共同运动，具体的，随动滑动块111上设有过线槽112，驱动绳索210通过过线槽112穿过随动滑动块111，过线槽112的侧壁和/底面与驱动绳索210穿过随动滑动块111的部分固定连接，使得随动滑动块111在驱动绳索210运动的同时随之一同运动。

位移测量单元120与随动滑动块111连接，位移测量单元120可以检测随动滑动块111的位移量，进而表征驱动绳索210的位移变化量。本实施例中，位移测量单元120优选为编码器，编码器的读数头与随动滑动块111连接，随动滑动块111滑动的同时，带动编码器的读数头运动，从而反馈出随动滑动块111移动后的位置，进一步得到驱动绳索210的位移变化量。

滑动导轨110的两端设置有限位块113，通过限位块113对随动滑动块111滑动的两个极限位置进行限定，防止随动滑动块111滑出滑动导轨110的范围，为此，滑动导轨110设置足够的长度，以使两个限位块113之间的长度足够模拟绳索驱动柔性机器人运动时的驱动绳索的位移量。可以设置多个测量单元中两个限位块113之间的长度一致，也可以设置多个测量单元中两个限位块113之间的长度不同。

测量单元还包括前定滑轮130与后定滑轮140，前定滑轮130位于柔性臂模块与滑动连接件之间，后定滑轮140位于滑动连接件之后，前定滑轮130、滑动连接件、后定滑轮140位于同一直线上，从柔性臂模块200伸出的驱动绳索210依次通过前定滑轮130、滑动连接件、后定滑轮140，在驱动绳索210的末端连接有配重块150，通过配重块150位于驱动绳索210张力，并模拟对应驱动绳索210受到的外部力。在测试柔性臂模块200的运动学数据时，多个配重块150的重量可以相同或不同。

如图4，柔性臂模块200包括若干柔性臂220，相邻的柔性臂220之间通过关节230连接，驱动绳索210依次穿过若干柔性臂220并延伸至测试模块100，通过驱动绳索210的拉紧或舒张驱动若干柔性臂220的运动，从而产生各个自由度上的运动。

如图5与图6，相邻两个柔性臂220的连接处设有第一轴孔221与第二轴孔222，第一轴孔221与第二轴孔222相互垂直，关节230通过第一轴孔221与第二轴孔222与相邻的两个柔性臂220铰接连接，使得关节230可以绕第一轴孔221的轴线以及第二轴孔222的轴线转动。

在一个实施例中，关节230包括中心块231，中心块231上开设有第一通孔232、第二通孔233，第一通孔232与第一轴孔221同轴线设置，第二通孔233与第二轴孔222同轴线设置，关节230还包括长转动销234与一对短转动销235，第一通孔232与第一轴孔221通过长转动销234连接，即将长转动销234穿过第一轴孔221与第一通孔232，使中心块231可以绕长转动销234的轴线转动，第二通孔233与第二轴孔222通过一对短转动销235连接，一对短转动销235分别从第二轴孔222的两端插入，并分别伸向长转动销234的侧表面。

优选的，短转动销235的端部设有圆弧槽236，圆弧槽236的轮廓与长转动销234的侧表面形状相匹配，在短转动销235插入第二通孔233后，圆弧槽236与长转动销234的侧表面贴合。

进一步地，长转动销234的中部设有中间孔237，短转动销235沿轴线方向上贯穿短转动销235的连接孔238，通过螺钉239穿过短转动销235的连接孔238，并贯穿长转动销234的中间孔237，将长转动销234与一对短转动销235连接起来，保证关节230运动的稳固性和顺畅性。

柔性臂模块200的运动主要体现在关节230的转动，为反馈关节230的转动角度，长转动销234、短转动销235分别连接有角度测量单元，通过角度测量单元检测长转动销234、短转动销235的转动角度数据。

本实施例中，角度测量单元包括磁环240、电路控制板241，磁环240与电路控制板241电性连接，在长转动销234与短转动销235的端部设置轴肩，磁环240通过轴肩安装在长转动销234与短转动销235上，电路控制板241通过螺丝固定在关节230上。

优选的，柔性臂220采用模块化设计，在柔性臂220的端部设置有一对呈180度分布的耳座223，一对耳座223上开设同轴线的开孔，即为第一轴孔221或第二轴孔222，相邻的两个柔性臂220相隔90度安装，从而在两个柔性臂220之间形成第一轴孔221与第二轴孔222。

继续参照图4，柔性臂模块200的末端设置有底座250，底座250上设置有导向轮251，导向轮251的数量与驱动绳索210的数量对应，导向轮251用于对驱动绳索210伸向测试模块100的方向进行导向。

如图7，运动模块300包括三轴移动平台与球头杆310，三轴移动平台可以提供左右、上下、前后三个自由度方向上的移动，球头杆310可滑动地设置在三轴移动平台上，球头杆310与柔性臂模块200铰接连接，用于提供横滚、俯仰、偏航三个自由度上的转动。

三轴移动平台包括底部支撑板320、竖直支撑板321、水平支撑板322，底部支撑板320上安装第一滑轨323，竖直支撑板321可滑动地安装于第一滑轨323上，竖直支撑板321上设置有第二滑轨324，水平支撑板322可滑动地安装于第二滑轨324上，水平支撑板322上设有第三滑轨325，球头杆310可滑动地安装于第三滑轨325上，第一滑轨323、第二滑轨324、第三滑轨325三者相互垂直。

如图1，在优选的实施例中，还包括光学平台400，光学平台400提供平整的安装平面，运动模块300、测试模块100安装于光学平台400上。

以上是本发明实施例的绳索驱动机器人的运动学测试系统的结构，在进行测试时，先预先选定各个配重块的重量，使用运动模块驱动柔性臂模块的运动，通过位移测量单元与角度测量单元检测驱动绳索的位移变化量与关节的转动角度变化量，建立它们之间对应的关系，并将得到的数据与绳索驱动柔性机器人的运动学中关节与驱动绳索之间的关系进行比对和验证，从而对绳索驱动柔性机器人的运动学特性进行优化。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (14)

1.绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，包括

柔性臂模块，所述柔性臂模块包括若干柔性臂、位于相邻两个所述柔性臂之间的关节以及穿过所述柔性臂的驱动绳索，所述关节连接有角度测量单元，所述角度测量单元能够检测所述关节的转动角度；

运动模块，所述运动模块能够带动所述柔性臂模块运动；

测试模块，所述测试模块包括配重块以及位移测量单元，所述配重块与所述驱动绳索连接，所述位移测量单元能够测量所述驱动绳索的位移量。

2.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述测试模块还包括滑动连接件，所述滑动连接件包括滑动导轨以及可滑动地设置于所述滑动导轨上的随动滑动块，所述随动滑动块与所述驱动绳索固定连接。

3.根据权利要求2所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述位移测量单元与所述随动滑动块连接，以通过检测所述随动滑动 块的位移量得到所述驱动绳索的位移量。

4.根据权利要求3所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述滑动导轨的两端设有限位块。

5.根据权利要求4所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述测试模块还包括前定滑轮、后定滑轮，所述前定滑轮位于所述滑动连接件与所述柔性臂模块之间，所述后定滑轮位于所述滑动连接件与所述配重块之间，所述前定滑轮、所述滑动连接件与所述后定滑轮位于同一直线上。

6.根据权利要求5所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述柔性臂模块设有若干所述驱动绳索，所述测试模块包括与所述驱动绳索数量相等的测量单元，所述测量单元包括所述滑动连接件、所述前定滑轮、所述后定滑轮以及所述配重块。

7.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，相邻两个所述柔性臂的连接处设有第一轴孔、第二轴孔，所述第一轴孔与所述第二轴孔相互垂直。

8.根据权利要求7所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述关节包括中心块，所述中心块上设有与所述第一轴孔同轴线的第一通孔以及与所述第二轴孔同轴线的第二通孔，所述第一通孔与所述第一轴孔通过长转动销连接，所述第二通孔与所述第二轴孔通过一对短转动销连接。

9.根据权利要求8所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述短转动销的端面设有圆弧槽，所述圆弧槽能够与所述长转动销的侧表面贴合。

10.根据权利要求8所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述长转动销的中部设有中间孔，所述短转动销设有沿轴线方向设置的连接孔，一对所述短转动销的所述连接孔、所述中间孔同轴线设置，一对所述连接孔、所述中间孔通过螺钉连接。

11.根据权利要求10所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述长转动销、所述短转动销分别与所述角度测量单元连接。

12.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，若干所述柔性臂模块的末端设有导向轮，所述驱动绳索通过所述导向轮延伸至所述测试模块。

13.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，所述运动模块包括三轴移动平台以及球头杆，所述球头杆可滑动地设置于所述三轴移动平台上，所述柔性臂模块与所述球头杆铰接连接。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的绳索驱动柔性机器人的运动学测试系统，其特征在于，还包括光学平台，所述运动模块与所述测试模块安装于所述光学平台上。

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