CN110900656B - 一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置，包括：驱动组件及张紧组件，蛇形机器人包括运动关节、第一绳索及第二绳索，第一绳索的两端分别与运动关节、驱动组件固定连接，第二绳索的两端分别与运动关节、张紧组件固定连接，张紧组件用于使第一绳索及第二绳索张紧，驱动组件能够通过第一绳索驱动运动关节转动，在运动关节转动过程中，第一绳索移动的距离为绳索误差长度。本发明通过驱动组件实现绳索的左右移动，以模拟存在绳长误差时的绳索状态，以便于后续对不同绳长误差对机器人末端位置的影响进行研究。当绳索向左移动时，即相当于实际绳长小于设计绳长的情况；当绳索向右移动时，即相当于实际绳长大于设计绳长的情况。

Description

一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置

技术领域

本发明涉及绳驱机器人领域，尤其是涉及一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置。

背景技术

绳驱蛇形机器人作为新型可移动的柔性机器人，以其具有多步态运动能力，且能够适应复杂多变环境的特点，成为机器人领域的一个研究热点，在军事、科学探险、救灾抢险及工业检测等多个领域具有较好的应用前景。在机器人制造及装配过程中，不可避免的会产生一定的误差，使得绳索的实际长度与设计长度存在偏差。由于绳驱蛇形机器人是利用轻质的绳索来牵引机器人的各个关节进行运动，当绳索的实际长度与设计长度存在误差时，会影响机器人执行末端的位置精度。因此，对绳长误差导致的机器人执行末端位置精度进行研究显得尤为重要。然而，目前还无法对存在绳长误差时执行末端的位置进行模拟。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置，通过该实验装置能够对存在绳长误差时机器人执行末端位置进行模拟。

本发明的一个实施例提供了用于绳驱蛇形机器人的实验装置，包括：

驱动组件及张紧组件，绳驱蛇形机器人包括运动关节、第一绳索及第二绳索，所述第一绳索的两端分别与所述运动关节、所述驱动组件固定连接，所述第二绳索的两端分别与所述运动关节、所述张紧组件固定连接，所述张紧组件用于使所述第一绳索及所述第二绳索张紧，所述驱动组件能够通过所述第一绳索驱动所述运动关节转动，在所述运动关节转动过程中，所述第一绳索移动的距离为绳索误差长度。

本发明实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置至少具有如下有益效果：通过驱动组件实现绳索的左右移动，以模拟存在绳长误差时的绳索状态。当绳索向左移动时，即相当于实际绳长小于设计绳长的情况；当绳索向右移动时，即相当于实际绳长大于设计绳长的情况。该装置能够对不同绳长误差时的绳索状态进行模拟实验，以便于后续对不同绳长误差对机器人末端位置的影响进行研究。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述驱动组件包括电机。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述驱动组件还包括传动件，所述电机通过所述传动件驱动所述第一绳索以带动所述运动关节运动。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述驱动组件还包括第一滑轮，所述第一绳索绕在所述第一滑轮上。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述驱动组件还包括丝杠及滑块，所述滑块套设于所述丝杠上且二者螺纹连接，所述电机与所述丝杠固定连接，所述第一绳索与所述滑块固定连接。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述张紧组件包括第一配重件，所述第二绳索与所述第一配重件固定连接。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，还包括外力施加组件，所述外力施加组件包括第三绳索与第二配重件，所述第三绳索的两端分别与位于末端的所述运动关节、所述第二配重件固定连接。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述外力施加组件还包括第二滑轮，所述第三绳索绕在所述第二滑轮上，位于所述第二滑轮与末端的所述运动关节之间的所述第三绳索相对于水平面倾斜。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，所述外力施加组件还包括固定座与连接件，所述连接件与所述第二滑轮固定连接，所述固定座上沿竖直方向设有多个卡槽，所述连接件能够卡入所述卡槽内。

根据本发明的另一些实施例的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，还包括位置追踪件，所述位置追踪件用于测量所述绳驱蛇形机器人中位于末端的所述运动关节的位置。

附图说明

图1是第一实施例中用于驱动绳驱蛇形机器人的实验装置的整体结构示意图；

图2是第一实施例中驱动组件的结构示意图；

图3是第一实施例中驱动组件的结构示意图；

图4是第一实施例中张紧组件的结构示意图；

图5是第一实施例中绳驱蛇形机器人的部分结构示意图；

图6是第一实施例中外力施加组件的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，示出了第一实施例中用于驱动绳驱蛇形机器人的实验装置的整体结构示意图。本实施例中的实验装置包括驱动组件100、张紧组件200、外力施加组件300及机架400等部件。本实验装置可以用于模拟绳驱蛇形机器人500中存在绳长误差的情况下绳索的状态，并通过对存在绳长误差情况下机器人末端的始末位置对比得知绳长误差对机器人末端位置的影响。

参照图1图5，图5示出了第一实施例中绳驱蛇形机器人的部分结构示意图。本实施例中的绳驱蛇形机器人500包括运动关节510、第一绳索520及第二绳索530。运动关节510、第一绳索520及第二绳索530均设有若干个，且三者数量相同。每个运动关节510的顶端固定连接有第一绳索520，底端固定连接有第二绳索530。每两个相邻的运动关节510之间铰接，二者可发生相对转动。由于本实施例中设有三个运动关节510，因此，与每个运动关节510固定连接的第一绳索520通过左侧的运动关节上设置的孔位穿出，同样的，与每个运动关节510固定连接的第二绳索530通过左侧的运动关节上设置的孔位穿出。运动关节510的顶端可以被第一绳索520拉动而使整个运动关节510进行逆时针转动。运动关节510的底端可以被第二绳索530拉动而使整个运动关节510进行顺时针转动。

参照图1、图2与图3，图2与图3均示出了第一实施例中驱动组件的结构示意图。驱动组件100包括电机110、丝杠120、滑块130、固定块140、联轴器150、滑轨160、滑轮170及滑轮固定架180。丝杠120通过联轴器与电机110的输出轴连接。滑块130套设于丝杠120上，且二者螺纹连接。固定块140固定于滑块130的顶部。从运动关节上的孔位处穿出的第一绳索520绕在滑轮170上，经过滑轮170改变第一绳索520的延伸方向。滑轮固定架180与滑轮连接以使三根第一绳索均集成于滑轮固定架180处。在经过滑轮固定架180后，通过前方的滑轮将三根第一绳索再分散开，以便于其与各自对应位置处的固定块140固定连接。

当然，本实施例中设置滑轮170只是因为本实施例中的绳驱蛇形机器人500具有三个运动关节510，相应的，有三根第一绳索，将第一绳索集成于滑轮固定架180处，可避免其位置过于混乱而缠绕在一起。若绳驱蛇形机器人仅有一个运动关节，或者改变电机的位置，不设置滑轮亦可。并且滑轮的数量及位置也可不按本实施例来设置，只要保证第一绳索520的两端能够分别连接到固定块140和运动关节510上即可。

此外，还可以增加传动件，电机110通过传动件对丝杠120进行驱动。传动件可以包括皮带、第一带轮与第二带轮，电机110与第一带轮固定连接，丝杠120与第二带轮固定连接，皮带套设于第一带轮与第二带轮上。或者，传动件可以包括主动齿轮与从动齿轮，电机110与主动齿轮固定连接，丝杠120与从动齿轮固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合。或者，传动件可以包括链条、主动链轮与从动链轮，电机110与主动链轮固定连接，丝杠120与从动链轮固定连接，链条套设于主动链轮与从动链轮上。或者，传动件可以包括主动摩擦轮与从动摩擦轮，电机110与主动摩擦轮固定连接，丝杠120与从动摩擦轮固定连接，主动摩擦轮与从动摩擦轮能够因二者之间的摩擦力而相对转动。除了上述的几种传动件，其他常规的传动件亦可。

此外，驱动组件除了本实施例中提供的旋转电机及丝杠配合使用外，还可以是气缸、液压缸或者直线电机等。当然，其他常规的驱动组件亦可。

参照图1与图4，图4示出了第一实施例中张紧组件的结构示意图。本实施例中的张紧组件200包括配重件210、滑轮220及第二滑轮固定架230。第二绳索530从运动关节上的孔位穿出后绕在滑轮220上，配重件210与第二绳索530的端部固定连接。本实施例中，配重件210为砝码，当然，其他重物亦可。配重件210在重力作用下下垂，将第二绳索530拉紧，第二绳索530拉动运动关节510使其有顺时针转动趋势，从而使得与运动关节510连接的第一绳索520也被拉紧。本实施例中的第二滑轮固定架230的结构与滑轮固定架180的结构相同。设置第二滑轮固定架230是为了实现三根第二绳索的集成，第二滑轮固定架230上设置的滑轮数量与第二绳索的数量相同。另外，张紧组件不限于本实施例中提供的方式，还可以将第二绳索通过弹性件连接到某固定位置处，弹性件可以使用弹簧。当驱动组件驱动第一绳索向左移动时，弹簧被拉伸，当驱动组件驱动第一绳索向右运动时，弹簧被压缩。

本实施例中还设有激光位置追踪器(图中省略)，其可以对末端运动关节的中心位置处进行追踪。

参照图1与图6，图6示出了第一实施例中外力施加组件的结构示意图。外力施加组件300包括固定座310、连接件320、滑轮330、配重件340及第三绳索350。第三绳索350绕在滑轮340上，滑轮340设于连接件320上。第三绳索350的一端与末端运动关节(在本实施例中即为最右侧的运动关节)固定连接，另一端与配重件340固定连接。配重件340在重力作用下下垂，将拉动第三绳索350，第三绳索350将给末端的运动关节施加一个外力。

前述的第一绳索520的误差长度不同时，体现在各个运动关节上即为运动关节的转动角度不同，即整个机器人呈现出的构型不同，进而使得末端的运动关节的位置不同。而某些构型可能稳定性不高，若是对末端的运动关节处施加一个外力，其可能会发生较大的位移，不利于提高机器人的精度。因此，可以通过上述的外力施加组件对末端的运动关节施加外力，并通过激光位置追踪器对施加外力前后的末端运动关节的位置进行测量，求得位移距离。由于该外力施加组件施加的外力是相对于水平面倾斜的，因此，将施加的外力及位移距离在竖直平面内进行分解，再求得同一方向上的外力分量与位移分量的比值。该比值可用于表征在该构型时运动关节受到外力扰动时的稳定程度。

优选的，在固定座310上还设有若干沿竖直方向排列的卡槽311，连接件320卡于卡槽311中。通过移动连接件320卡入卡槽311的位置，即可使滑轮330沿竖直方向移动，从而使得第三绳索350中滑轮330与末端运动关节之间的这一段的倾斜角度发生变化。在不同倾斜角度情况下，外力的分量将不同，在不更换配重件340的重量的情况下，即可获得不同大小的外力分量，从而测得不同外力情况下末端所受影响。另外，上述测量中，可以重复实验若干次，并求取平均值，以减小测量误差，增加实验准确性。

以下为本实施例中使用本实验装置进行实验的过程：

由于运动关节510的顶端与低端分别与第一绳索520及第三绳索530连接，配重件210在重力作用下拉动第二绳索530，从而使得运动关节510有顺时针转动的趋势，进而拉动第一绳索520，第一绳索520与第二绳索530均被拉直处于张紧状态。当电机110转动时，与其输出轴连接的丝杠120随之一起转动，从而使得与丝杠120螺纹连接的滑块130沿滑轨160滑动。此时，固定在滑块130顶部的固定块140将带动与其固定连接的第一绳索520运动。若丝杠120向左滑动，则第一绳索520随之向左运动，从而拉动与第一绳索520连接的运动关节510逆时针转动。上述状态即可模拟第一绳索520实际长度小于设计长度时的情况，当实际长度小于设计长度时，第一绳索将会拉动运动关节510逆时针转动，第一绳索520的误差长度即为电机带动第一绳索520左移的距离。同理，若丝杠120向右滑动，则第一绳索520处于松弛状态，在配重件210的拉动下，运动关节510顺时针转动，第一绳索520向右移动。该状态即可模拟第一绳索520实际长度大于设计长度时的情况。

本实施例中，设有三个运动关节，可以使三个电机的转动方向或转速不同，以使得每个运动关节上连接的第一绳索能够模拟不同的绳长误差。由于各个关节之间相互作用，三根第一绳索上的绳长误差综合后最终体现在末端运动关节处，误差可能会抵消，使得末端运动关节处的误差较小，也可能会加剧，使得末端运动关节处的误差较大。通过激光位置追踪器对末端运动关节的初始位置及终了位置进行测量，若末端位置的偏差较大，超过设定偏差值，则在对机器人进行起点到终点的轨迹规划时(从一个点到另一个点可以规划出多种路径)，则要避免其末端位置经过这些点，使其通过别的路径到达终点，以免在这些位置处末端位置偏差过大，精度降低。

进行末端运动关节处的外力扰动测试时，配重件340通过第三绳索350向末端运动关节处施加外力。由前述可知，可以通过驱动组件驱动绳索移动，从而带动末端运动关节转动。第一绳索520移动距离不同时，运动关节转动角度不同，机器人构型不同，末端运动关节位置不同。由前述方式测得该构型时外力分量与位移分量的比值，并判断是否超出设定值，若超出设定值，即稳定性较差，易受外力扰动影响，则在对机器人进行起点到终点的轨迹规划时(从一个点到另一个点可以规划出多种路径)，则要避免其末端位置经过这些点，使其通过别的路径到达终点。如果无法规避这些点，则要调节机器人在经过该点时的构型，以避免其受外力扰动影响过大。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.一种用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，包括：

驱动组件及张紧组件，绳驱蛇形机器人包括运动关节、第一绳索及第二绳索，所述第一绳索的两端分别与所述运动关节、所述驱动组件固定连接，所述第二绳索的两端分别与所述运动关节、所述张紧组件固定连接，所述张紧组件用于使所述第一绳索及所述第二绳索张紧，所述驱动组件能够通过所述第一绳索驱动所述运动关节转动，在所述运动关节转动过程中，所述第一绳索移动的距离为绳索误差长度；

还包括外力施加组件，所述外力施加组件包括第三绳索与第二配重件，所述第三绳索的两端分别与位于末端的所述运动关节、所述第二配重件固定连接；

所述外力施加组件还包括第二滑轮，所述第三绳索绕在所述第二滑轮上，位于所述第二滑轮与位于末端的所述运动关节之间的所述第三绳索相对于水平面倾斜。

2.根据权利要求1所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述驱动组件包括电机。

3.根据权利要求2所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述驱动组件还包括传动件，所述电机通过所述传动件驱动所述第一绳索以带动所述运动关节运动。

4.根据权利要求2所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述驱动组件还包括第一滑轮，所述第一绳索绕在所述第一滑轮上。

5.根据权利要求2所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述驱动组件还包括丝杠及滑块，所述滑块套设于所述丝杠上且二者螺纹连接，所述电机与所述丝杠固定连接，所述第一绳索与所述滑块固定连接。

6.根据权利要求1所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述张紧组件包括第一配重件，所述第二绳索与所述第一配重件固定连接。

7.根据权利要求1所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，所述外力施加组件还包括固定座与连接件，所述连接件与所述第二滑轮固定连接，所述固定座上沿竖直方向设有多个卡槽，所述连接件能够卡入所述卡槽内。

8.根据权利要求1所述的用于绳驱蛇形机器人的实验装置，其特征在于，还包括位置追踪件，所述位置追踪件用于测量所述绳驱蛇形机器人中位于末端的所述运动关节的位置。

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