CN111590602A - 基于光纤传感的多自由度连续型臂和机器人 - Google Patents

基于光纤传感的多自由度连续型臂和机器人 Download PDF

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尹向辉
梁斌
王学谦
朱晓俊
刘厚德
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for

Abstract

基于光纤传感的多自由度连续型臂和机器人，该多自由度连续型臂包括至少两个臂杆、连接相邻臂杆的关节以及驱动结构，所述至少两个臂杆和所述关节构成连续关节骨架，还包括搭载在所述连续关节骨架上的光纤光栅，所述光纤光栅的栅区部分以空间上间隔的方式设置在所述关节的周围并跨越所述关节，在所述关节发生弯曲时，通过所述光纤光栅的传感作用来检测所述关节的弯曲状态。本发明具有高精度、抗干扰性好、结构简单、体积小等优点，非常适合在特种机器人、医疗机器人、遥操作机器人等领域应用。

Description

基于光纤传感的多自由度连续型臂和机器人
技术领域
本发明涉及机器人，特别是涉及一种基于光纤传感的多自由度连续型臂和机器人。
背景技术
连续型机器人是一种多关节串联的多自由度机器人，它仿照象鼻或章鱼足的特点，可以在自身多处向任意方向弯曲。连续型机器人灵活多变，工作半径大，适合在管道、狭缝、复杂结构、易损伤结构中工作，对多障碍物环境适应性非常强，一些典型的应用场景如复杂机械结构的检查探伤、医疗内窥镜等。图1a至图1c示出了几种连续型机器人结构。
连续型机器人是近几年开始发展的一种新型机器人结构，它不同于传统离散型刚性机器人，后者的结构通常是刚性杆与离散关节构成，在作业时往往存在工作空间小、易与环境碰撞等问题，连续型机器人因其强大的自由弯曲变形能力，对多变复杂的空间适应性非常强，并且可以有多种工作方式，不仅可以通过末端的执行器进行探测、抓取等工作，也可以通过自身的弯曲变形对物体进行卷绕抓取。
连续型机器人的最大问题是姿态误差较大，由于这种类型机器人的关节是串联结构，前一级的误差会叠加到下一级上并通过臂长放大，因此机器人末端位置误差最大，另一方面由于连续型机器人结构往往为长圆柱形，内部被骨架、筋腱等占据，无法放置关节测量元件，因此通常臂形姿态测量在机器人根部或通过外界光学测量，一方面造成误差另一方面也限制了机器人的工作条件。
传统连续型机器人由于机器臂内部空间限制通常采用驱动器端进行姿态估计或采用外部视觉系统，前者易收到驱动绳弹性和摩擦力影响降低精度，后者易受到环境遮挡限制和光学噪声影响。
一种采用驱动绳末端测量的方案，如图2a和图2b所示的多自由度连续机器人结构是通过多端刚性杆连接，关节处通过三根或以上低弹性绳拉动驱动，驱动绳一直保持拉紧状态，当关节向不同方向弯曲时，三根驱动绳各自的伸缩量不同，通过测量驱动绳伸缩量就可以得到关节的弯曲状态。另一种方式是关节向不同方向弯曲时，驱动器的力矩不同，通过驱动器力矩反馈得到关节的弯曲状态。
采用驱动绳末端测量的方案的缺点：
(1)当关节数较多时驱动绳5往往产生明显弹性，伸缩量与关节3实际姿态不同。
(2)驱动绳5与上基盘2、下基盘4之间会产生较大摩擦力，干扰驱动器6的力矩测量。
(3)测量驱动绳5长度往往采用编码器等器件，关节数较多时测量系统的复杂度增加，数据采集受限。
一种采用外部视觉测量的方案，如图3所示的机器人本身并不含有测量系统，机器人9仅由驱动器、骨架、驱动筋腱等组成，在机器人9外部通过摄像机7、10、识别靶盘8进行视觉捕捉，或者采用结构光、激光雷达等，并通过图像处理等方式估计机器人的位姿。
采用外部视觉测量的方案的缺点：
(1)机器人周边不能有遮挡，大大限制了机器人在复杂环境中的应用。
(2)图像处理的速度不高，采样率往往在10Hz量级。
(3)图像处理的精度不高，受限于环境的光学噪声和采集器的像素精度。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，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
本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种基于光纤传感的多自由度连续型臂和具有该多自由度连续型臂的机器人，解决传统连续型机器人姿态不精确、姿态估计易受干扰等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光纤传感的多自由度连续型臂，包括至少两个臂杆、连接相邻臂杆的关节以及驱动结构，所述至少两个臂杆和所述关节构成连续关节骨架，还包括搭载在所述连续关节骨架上的光纤光栅，所述光纤光栅的栅区部分以空间上间隔的方式设置在所述关节的周围并跨越所述关节，在所述关节发生弯曲时，通过所述光纤光栅的传感作用来检测所述关节的弯曲状态。
进一步地：
所述关节为不可伸缩与扭转的二自由度轴。
所述光纤光栅为三根或更多的光纤光栅，所述三根或更多的光纤光栅围绕所述连续关节骨架的轴心间隔排列。
所述光纤光栅向设置成朝预定方向具有初始微弯曲，以使当所述关节每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅的弯曲方向均相同。
所述光纤光栅附着于弹性基材上，以使当所述关节每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅的弯曲形状均相同。
所述关节为不可伸缩与扭转的二自由度轴，所述光纤光栅为三根光纤光栅，当所述关节弯曲时，所述三根光纤光栅分别产生三个不同曲率，通过标定拟合如下公式，
Figure BDA0002501099730000031
其中φ、
Figure BDA0002501099730000032
分别为所述关节在两个自由度上的角度，K1、K2、K3分别为所述三根光纤光栅的曲率；由上述公式确定所述关节的弯曲状态。
所述驱动结构包括设置在每个所述臂杆的外侧的套筒、在所述套筒上搭载的驱动件以及向所述驱动件提供驱动力的驱动器，所述套筒与所述臂杆相固定，所述驱动器通过所述驱动件驱动所述套筒，进而驱动所述连续关节骨架。
所述驱动结构的驱动方式包括绳驱动、齿带驱动、齿轮驱动、丝杠驱动以及气动驱动中的任一种。
所述驱动器为气缸，所述驱动件包括气导管和气囊，所述气缸通过所述气导管连接所述气囊，所述气囊连接在相邻套筒之间。
一种机器人，包括所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种基于光纤传感的多自由度连续型臂，其包括搭载在所述连续关节骨架上的光纤光栅，所述光纤光栅的栅区部分以空间上间隔的方式设置在所述关节的周围并跨越所述关节，在所述关节发生弯曲时，通过所述光纤光栅的传感作用来检测所述关节的弯曲状态。由此，本发明基于光纤曲率传感的多自由度连续型臂能够利用光纤的精确传感能力和高灵敏度，改善传统连续型机器人姿态估计误差的问题，同时本发明提出的结构可以避免测量过程中易受外部干扰的问题。利用光纤传感技术精度高、抗电磁干扰的优点，本发明基于光纤传感的机器人的姿态估计精度比传统方案的更高，且电磁抗干扰。利用光纤结构简单、尺寸纤细的优点，本发明基于光纤传感的多自由度连续型臂结构简单，体积小。本发明具有高精度、结构简单、体积小等优点，非常适合在特种机器人、医疗机器人、遥操作机器人等领域应用。
优选的方案中，本发明提出了一种内外嵌套的连续关节骨架结构，内侧骨架搭载光纤光栅，外侧套筒搭载驱动系统，通过这种优化结构保证光纤光栅弯曲的重复精度，保证内侧光纤光栅不受干扰和破坏。
附图说明
图1a至图1c为三种连续型机器人的结构示意图。
图2a至图2b为传统的驱动绳5末端测量法的示意图。
图3为传统的外部视觉测量法的示意图。
图4为本发明一种实施例的基于光纤传感的多自由度连续型臂的结构示意图。
图5为本发明一种优选实施例的光纤光栅的分布和随关节弯曲的示意图。
图6为本发明一种实施例的关节示意图。
图7为本发明一种优选实施例的多自由度连续型臂的结构示意图。
图8为本发明另一种优选实施例的多自由度连续型臂的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实施例和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图4至图8，本发明实施例提供一种基于光纤传感的多自由度连续型臂，包括至少两个臂杆1、连接相邻臂杆1的关节3以及驱动结构，所述至少两个臂杆1和所述关节3构成连续关节骨架，还包括搭载在所述连续关节骨架上的光纤光栅11，所述光纤光栅11的栅区部分以空间上间隔的方式设置在所述关节3的周围并跨越所述关节3，在所述关节3发生弯曲时，通过所述光纤光栅11的传感作用来检测所述关节3的弯曲状态。
本发明实施例的多自由度连续型臂能够利用光纤的精确传感能力和高灵敏度改善姿态估计精度，同时可以避免测量过程中受外部干扰。利用光纤传感技术精度高、抗电磁干扰的优点，本发明实施例基于光纤传感的机器人的姿态估计精度比传统方案的更高，且电磁抗干扰。利用光纤结构简单、尺寸纤细的优点，本发明实施例基于光纤传感的多自由度连续型臂结构简单，体积小。
参阅图4和图6，在优选的实施例中，所述关节3为不可伸缩与扭转的二自由度轴。二自由度轴可以是十字轴，也可以是其他类型万向轴。
参阅图4-图5、图7-图8，在优选的实施例中，所述光纤光栅11为三根或更多的光纤光栅11，所述三根或更多的光纤光栅11围绕所述连续关节骨架的轴心均匀间隔平行排列。
参阅图4，在优选的实施例中，所述光纤光栅11向设置成朝预定方向具有初始微弯曲，以使当所述关节3每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅11的弯曲方向均相同。
在优选的实施例中，所述光纤光栅11附着于弹性基材上，以使当所述关节3每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅11的弯曲形状均相同。弹性基材与臂杆可以固定也可不固定。弹性基材可以是微弹簧、硅橡胶、高分子材料、镍钛合金等。
参阅图7-图8，在优选的实施例中，所述驱动结构包括设置在每个所述臂杆1的外侧的套筒13、在所述套筒13上搭载的驱动件以及向所述驱动件提供驱动力的驱动器6，所述套筒13与所述臂杆1相固定，所述驱动器6通过所述驱动件驱动所述套筒13，进而驱动所述连续关节骨架。这种内外嵌套的连续关节骨架结构，内侧骨架搭载光纤光栅11，外侧套筒13搭载驱动系统，通过这种优化结构能够很好保证光纤光栅11弯曲的重复精度，保证内侧光纤光栅11不受干扰和破坏。
在不同的实施例中，所述驱动结构的驱动方式可以是绳驱动、齿带驱动、齿轮驱动、丝杠驱动以及气动驱动等。
如图7所示为一种绳驱动的实施例。
如图8所示，在一种优选的实施例中，所述驱动器为气缸16，所述驱动件包括气导管15和气囊14，所述气缸16通过所述气导管15连接所述气囊14，所述气囊14连接在相邻套筒13之间。
本发明实施例还提供一种机器人，包括前述任一实施例的基于光纤传感的多自由度连续型臂。
以下结合附图进一步描述本发明的具体实施例。
如图7-图8所示具体实施例的多自由度连续型臂包括内外两部分，内为搭载光纤光栅11的多自由度连续关节骨架，外为提供驱动力的套筒13。
连续关节骨架包括臂杆1、二自由度轴(关节3)、光纤光栅11及光纤基材。其中臂杆1之间由二自由度轴相连接，二自由度轴可以是十字轴结构。光纤光栅11位于轴部，并且栅区跨越轴点，每个关节3由三根或以上的光纤光栅11围绕关节3搭载。一种优选方式是三根光纤12在轴区横截面上彼此间隔120°环绕轴心，每根光纤12沿连续关节骨架的臂长轴方向平行排列，并且栅区部分向某一侧微弯，这一特征给光栅一个初始弯曲方向，避免关节3每次相同弯曲时光栅弯曲方向不同，从而获得更好的测量效果。光纤光栅11的栅区部分附着于弹性基材上(基材与光纤栅区尺寸相近，光纤栅区部分或全部粘贴或固定到基材)，从而使关节3每次相同弯曲时，光纤的弯曲形状均相同，从而获得更好的测量效果。基材可以是微弹簧、硅橡胶、高分子材料、镍钛合金等等，也可以不使用基材。
当关节弯曲时，三根光纤分别产生三个不同曲率，通过标定拟合下方公式，
Figure BDA0002501099730000061
其中φ、
Figure BDA0002501099730000062
分别为关节两个自由度上的角度，K1、K2、K3分别为三根光纤光栅11的曲率。可以利用此公式确定关节两个自由度上的角度。
套筒13位于连续关节骨架外侧，每节臂杆1外侧配置一个套筒13，套筒13仅与连续关节骨架的臂杆1相固定，每个套筒13上可搭载提供驱动力或阻尼的驱动绳5(如图7所示)或气驱动结构(如图8所示)，还可以是其他驱动结构。如图7所示，驱动器6通过驱动套筒13进而驱动整个多自由度连续型臂。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的多自由度连续型臂，包括至少两个臂杆、连接相邻臂杆的关节以及驱动结构，所述至少两个臂杆和所述关节构成连续关节骨架，其特征在于，还包括搭载在所述连续关节骨架上的光纤光栅，所述光纤光栅的栅区部分以空间上间隔的方式设置在所述关节的周围并跨越所述关节，在所述关节发生弯曲时，通过所述光纤光栅的传感作用来检测所述关节的弯曲状态。
2.如权利要求1所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述关节为不可伸缩与扭转的二自由度轴。
3.如权利要求1或2所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述光纤光栅为三根或更多的光纤光栅，所述三根或更多的光纤光栅围绕所述连续关节骨架的轴心间隔排列。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述光纤光栅向设置成朝预定方向具有初始微弯曲，以使当所述关节每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅的弯曲方向均相同。
5.如权利要求1至4任一项所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述光纤光栅附着于弹性基材上，以使当所述关节每次发生相同的弯曲时，所述光纤光栅的弯曲形状均相同。
6.如权利要求3至5任一项所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述关节为不可伸缩与扭转的二自由度轴，所述光纤光栅为三根光纤光栅，当所述关节弯曲时，所述三根光纤光栅分别产生三个不同曲率，通过标定拟合如下公式，
Figure FDA0002501099720000011
其中φ、
Figure FDA0002501099720000012
分别为所述关节在两个自由度上的角度，K1、K2、K3分别为所述三根光纤光栅的曲率；由上述公式确定所述关节的弯曲状态。
7.如权利要求1至6任一项所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述驱动结构包括设置在每个所述臂杆的外侧的套筒、在所述套筒上搭载的驱动件以及向所述驱动件提供驱动力的驱动器，所述套筒与所述臂杆相固定，所述驱动器通过所述驱动件驱动所述套筒，进而驱动所述连续关节骨架。
8.如权利要求7所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述驱动结构的驱动方式包括绳驱动、齿带驱动、齿轮驱动、丝杠驱动以及气动驱动中的任一种。
9.如权利要求7所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂，其特征在于，所述驱动器为气缸，所述驱动件包括气导管和气囊，所述气缸通过所述气导管连接所述气囊，所述气囊连接在相邻套筒之间。
10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的基于光纤传感的多自由度连续型臂。
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