CN111993431A - 一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人包括驱动装置、连续型机械臂、视觉反馈装置、末端执行器；该检测机器人采用线驱动方式，使机械臂结构简单、成本低，更易通过狭窄腔，且控制精度高；采用柔性管作为中心骨架，使机械臂能向各方向弯曲，且由于柔性管横向刚度低，提高了机械臂的自由度；机械臂前端增加视觉反馈装置，在机械臂经过狭窄腔和末端执行器进行检测工作时，可以将实时工况反馈至操作端，提高操作的可靠性。

Description

一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人。
背景技术
在工业无损检测领域中，会出现人员无法到达检测目标位置的情况，特别是需经狭窄腔对远端目标进行检测作业时，此时需借助机器人实施作业。传统机械臂通常以连杆为主，自由度较低，大多数情况下，会通过串联更多数量的连杆以增加机械臂的自由度，因此造成了传统机械臂的灵活性较差。
现有技术中，如专利CN110388532A公开的一种核电站小口径管道检测用机器人，其采用气动方式驱动，驱动精度低且驱动气管的保养成本高，对于弯曲曲率大的管道应用有限。再如专利CN106923902A公开的手术机器人用蛇形关节、手术器械及内窥镜，其采用线驱动关节接头对结构形式，实现机器人的弯曲，驱动精度较高，但由于关节连接处采用的刚性连接，机器人弯曲方向受限，灵活性较差。又如专利CN110238874A公开的一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂，其可实现经狭窄腔后对内部目标进行扫描作业，但不具有一体化的视觉反馈功能。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是设计一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人，提高机械臂的自由度，且能够可视化通过狭窄腔和对目标进行可视化检测作业。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人，包括驱动装置、连续型机械臂、视觉反馈装置、末端执行器，所述连续型机械臂包括柔性管、固定套装在柔性管外部的若干支撑圆盘；所述柔性管一端设置齿轮传动机构，另一端与驱动装置固定连接，所述柔性管内部设置钢丝软轴，所述钢丝软轴一端与齿轮传动机构连接，另一端与驱动装置连接，驱动装置驱动钢丝软轴的转动带动齿轮传动机构使末端执行器转动；所述连续型机械臂在末端执行器一端连接视觉反馈装置，视觉反馈装置用于摄取实际工况以及末端执行器工作情况；
所述至少一个支撑圆盘上固定至少一条驱动线，且支撑圆盘上设有供驱动线穿过的通孔，所述驱动线自某个支撑圆盘固定后通过通孔穿过其他支撑圆盘与驱动装置连接，驱动装置改变驱动线的张力使柔性管弯曲。
有益效果：该检测机器人采用线驱动方式，使机械臂结构简单、成本低，更易通过狭窄腔，且控制精度高；采用柔性管作为中心骨架，使机械臂能向各方向弯曲，且由于柔性管横向刚度低，提高了机械臂的自由度；机械臂前端增加视觉反馈装置，在机械臂经过狭窄腔和末端执行器进行检测工作时，可以将实时工况反馈至操作端，提高操作的可靠性。
进一步的，所述驱动装置包括电机、联轴器、丝杆装置、刚性传动轴、导轮机构，所述丝杆装置和刚性传动轴通过联轴器与电机输出杆固定连接；所述刚性传动轴一端与电机固定连接另一端与所述钢丝软轴固定连接；所述丝杆装置包括丝杆和丝杆螺母，所述驱动线通过导轮机构导向，然后与丝杆螺母固定连接。
进一步的，所述视觉反馈装置包括SMA弹簧、三段式连杆机构、摄像装置；所述SMA弹簧一端与所述连续型机械臂固定连接，另一端与三段式连杆机构一端固定连接，所述三段式连杆机构一端与SMA弹簧固定连接，另一端与摄像装置固定连接，摄像装置与所述连续型机械臂铰接，SMA弹簧的伸缩带动摄像装置相对于所述连续型机械臂旋转；
所述摄像装置包括圆盘基座、安装在圆盘基座上两个朝向相反的摄像头和两个朝向相反的LED灯源，两个摄像头分别为一号摄像头和二号摄像头；两个LED灯源分别为一号LED灯源和二号LED灯源；一号摄像头与一号LED灯源同向，二号摄像头与二号LED灯源同向，所述圆盘基座边缘与连续型机械臂铰接；检测机器人未到达目标位置时，SMA弹簧收缩，圆盘基座与柔性管端面同轴平行，一号摄像头与一号LED灯源朝向所述连续机械臂前方，二号摄像头与二号LED灯源朝向所述连续机械臂后方；检测机器人到达目标位置时，SMA弹簧伸长，圆盘基座与柔性管端面轴线垂直，二号摄像头与二号LED灯源朝向所述末端执行器。
进一步的，所述柔性管靠近端面设置末端支撑圆盘，所述SMA弹簧固定连接于末端支撑圆盘，且摄像装置铰接于所述末端支撑圆盘。
进一步的，所述三段式连杆机构包括主动杆、连接杆和从动杆，所述SMA弹簧收缩时，主动杆和从动杆平行，连接杆与主动杆的延伸方向成锐角夹角。
进一步的，所述连续型机械臂还包括固定在两个支撑圆盘之间的圆柱螺旋弹簧，所述圆柱螺旋弹簧套装在柔性管外。
进一步的，所述的齿轮传动机构包括一对相互啮合的齿轮，两齿轮轴线相互垂直，其中一个齿轮固定于钢丝软轴末端，另一个齿轮的输出轴与末端执行器连接固定。
进一步的，所述支撑圆盘通孔中均镶嵌有碳纤维管，所述驱动线穿过碳纤维管。
进一步的，所述连续型机械臂中两个所述支撑圆盘上均固定至少一条驱动线。
附图说明
图1是本发明整体结构的示意图；
图2是本发明中驱动装置的结构示意图；
图3是本发明中连续型机械臂的结构示意图；
图4是本发明中视觉反馈装置闭合的结构示意图；
图5是本发明中视觉反馈装置展开的结构示意图；
图6是本发明中视觉反馈装置运动原理图；
图7是本发明的驱动原理图；
图8是本发明中支撑圆盘的通孔分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，本次发明的一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人包括驱动装置1、连续型机械臂2、视觉反馈装置3、末端执行器4。
如图2所示，所述驱动装置1包括导轮机构1-1、电机1-2、联轴器1-3、刚性传动轴1-4、丝杆装置1-5。所述刚性传动轴1-4和丝杆装置1-5通过联轴器1-3与电机1-2的输出杆固定连接，电机1-2带动刚性传动轴1-4和丝杆装置1-5转动；所述丝杆装置包括丝杆1-5-2和丝杆螺母1-5-1，丝杆1-5-2转动带动丝杆螺母1-5-1在丝杆1-5-2上移动。
如图3所示，所述连续型机械臂2包括柔性管2-1、固定套装在柔性管外部的支撑圆盘2-3，支撑圆盘2-3均匀分布在柔性管外，所述柔性管2-1一端设置齿轮传动机构2-6，另一端与驱动装置1固定连接，所述柔性管2-1内部设置钢丝软轴2-4，所述钢丝软轴2-4一端与齿轮传动机构2-6固定连接，另一端与刚性传动轴1-4固定连接，刚性传动轴1-4旋转带动钢丝软轴2-4转动；所述齿轮传动机构2-6包括一对相互啮合的齿轮，分别为端面齿轮2-6-1和圆柱齿轮2-6-2，两齿轮轴线相互垂直，其中端面齿轮2-6-1固定于钢丝软轴2-4末端并随钢丝软轴2-4的转动而转动，圆柱齿轮2-6-2的输出轴与末端执行器4连接固定并带动末端执行器4转动。
所述至少一个支撑圆盘2-3上固定至少一条驱动线2-5，在本实施例中，以一个支撑圆盘2-3均匀固定四条驱动线2-5为例，每个所述支撑圆盘2-3均设有供驱动线2-5穿过的通孔，如图7所示，在本实施例中，所述支撑圆盘2-3设置均匀分布的八个通孔(L11-14、L21-24)，所述通孔中均镶嵌有碳纤维管2-7，所述驱动线2-5穿过碳纤维管2-7，可避免驱动线2-5与支持圆盘2-3之间的摩擦，提高机器人的整体寿命，使所述连续型机械臂2的弯曲运动更加平稳；所述驱动线2-5自某个支撑圆盘2-3固定后，通过碳纤维管2-7穿过其他支撑圆盘2-3，然后经过驱动装置1上的导轮机构1-1导向与丝杆螺母1-5-1固定连接，丝杆螺母1-5-1的移动改变驱动线2-5的张力使柔性管弯曲。
在本实施例中，在两个支撑圆盘2-3之间固定圆柱螺旋弹簧2-2，所述圆柱螺旋弹簧2-2套装在柔性管2-1外，所述支撑圆盘2-3之间引入圆柱螺旋弹簧2-2，在驱动线2-5不受张力时，机器人能实现自归位，保持原有状态。所述支撑圆盘2-3两端面设置螺旋环槽，所述螺旋环槽内外径及螺距与圆柱螺纹弹簧2-2内外径及节距适配，所述圆柱螺旋弹簧2-2固定在螺旋环槽中。如图8所示，两个所述支撑圆盘2-3上均固定至少一条驱动线2-5，在本实施例中，固定在连续机械臂2最外端支撑圆盘2-3的四条驱动线2-5为第一组驱动线2-5-2，所述第一组驱动线2-5-2贯穿全部支撑圆盘2-3的L11、L12、L13、L14四个通孔，然后与驱动装置连接；固定在连续机械臂2末端起第四个支撑圆盘2-3的四条驱动线2-5为第二组驱动线2-5-1，所述第二组驱动线2-5-1贯穿第四个支撑圆盘2-3之后全部支撑圆盘2-3的L21、L22、L23、L24四个通孔，然后与驱动装置连接，第一组驱动线和第二组驱动线在不同侧受到张力时，即可实现机械臂S型弯曲，提高机械臂避障能力。
所述视觉反馈装置3包括SMA弹簧3-1、三段式连杆机构3-2、摄像装置3-3；所述SMA弹簧3-1一端与所述连续型机械臂2固定连接，所述摄像装置3-3与所述连续型机械臂2铰接，在本实施例中，如图4所示，所述柔性管2-1靠近端面设置末端支撑圆盘2-3-1，所述SMA弹簧3-1固定连接于末端支撑圆盘2-3-1，且摄像装置铰接于所述末端支撑圆盘2-3-1；SMA弹簧3-1另一端与三段式连杆机构3-2一端固定连接，所述三段式连杆机构3-2一端与SMA弹簧3-1固定接，另一端与摄像装置3-3固定连接；SMA弹簧3-1的伸缩带动摄像装置3-3相对于所述连续型机械臂2旋转，摄像装置展开时如图5所示。如图6所示，所述三段式连杆机构3-2包括主动杆3-2-1、连接杆3-2-2和从动杆3-2-3，所述SMA弹簧3-1收缩时，主动杆3-2-1和从动杆3-2-3平行，连接杆3-2-2与主动杆3-2-1的延伸方向成锐角夹角，以便于SMA弹簧3-1伸长时，三段式连杆机构3-2形成一定的力矩，驱动摄像装置3-3展开。
所述摄像装置3-3包括圆盘基座3-3-5、安装在圆盘基座3-3-5上两个朝向相反的摄像头和两个朝向相反的LED灯源，两个摄像头分别为一号摄像头3-3-1和二号摄像头3-3-2、两个LED灯源分别为一号LED灯源3-3-3和二号LED灯源3-3-4，一号摄像头3-3-1与一号LED灯源3-3-3同向，二号摄像头3-3-2与二号LED灯源3-3-4同向，所述圆盘基座3-3-5边缘与连续型机械臂2铰接；检测机器人未到达目标位置时，SMA弹簧3-2收缩，圆盘基座3-3-5与柔性管2-1末端端面同轴平行，一号摄像头3-3-1与一号LED灯源3-3-3朝向所述连续机械臂前方，摄取狭窄腔实际工况，并将摄取画面反馈至操作端，操作者根据反馈画面中的实际工况，控制驱动装置，调整连续型机械臂2的状态，此时二号摄像头3-3-2与二号LED灯源3-3-4朝向所述连续机械臂后方；检测机器人到达目标位置时，如图5所示，SMA弹簧3-2伸长，圆盘基座3-3-5与柔性管2-1末端端面轴线垂直，二号摄像头3-3-2与二号LED灯源3-3-4朝向所述末端执行器4，此时二号摄像头3-3-2摄取目标位置实际工况以及末端执行器4的工作状态，并将摄取画面反馈至操作端。
所述末端执行器4为检测探头，通过齿轮传动机构2-6的驱动可以完成一定范围内的扇形区域检测。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种具有视觉反馈功能的线驱动连续型检测机器人，其特征在于：包括驱动装置、连续型机械臂、视觉反馈装置、末端执行器，所述连续型机械臂包括柔性管、固定套装在柔性管外部的若干支撑圆盘；所述柔性管一端设置齿轮传动机构，另一端与驱动装置固定连接，所述柔性管内部设置钢丝软轴，所述钢丝软轴一端与齿轮传动机构连接，另一端与驱动装置连接，驱动装置驱动钢丝软轴的转动带动齿轮传动机构使末端执行器转动；所述连续型机械臂在末端执行器一端连接视觉反馈装置，视觉反馈装置用于摄取实际工况以及末端执行器工作情况；
所述至少一个支撑圆盘上固定至少一条驱动线，且支撑圆盘上设有供驱动线穿过的通孔，所述驱动线自某个支撑圆盘固定后通过通孔穿过其他支撑圆盘与驱动装置连接，驱动装置改变驱动线的张力使柔性管弯曲。
2.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述驱动装置包括电机、联轴器、丝杆装置、刚性传动轴、导轮机构，所述丝杆装置和刚性传动轴通过联轴器与电机输出杆固定连接；所述刚性传动轴一端与电机固定连接另一端与所述钢丝软轴固定连接；所述丝杆装置包括丝杆和丝杆螺母，所述驱动线通过导轮机构导向，然后与丝杆螺母固定连接。
3.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述视觉反馈装置包括SMA弹簧、三段式连杆机构、摄像装置；所述SMA弹簧一端与所述连续型机械臂固定连接，另一端与三段式连杆机构一端固定连接，所述三段式连杆机构一端与SMA弹簧固定连接，另一端与摄像装置固定连接，摄像装置与所述连续型机械臂铰接，SMA弹簧的伸缩带动摄像装置相对于所述连续型机械臂旋转；
所述摄像装置包括圆盘基座、安装在圆盘基座上两个朝向相反的摄像头和两个朝向相反的LED灯源，两个摄像头分别为一号摄像头和二号摄像头；两个LED灯源分别为一号LED灯源和二号LED灯源；一号摄像头与一号LED灯源同向，二号摄像头与二号LED灯源同向，所述圆盘基座边缘与连续型机械臂铰接；检测机器人未到达目标位置时，SMA弹簧收缩，圆盘基座与柔性管端面同轴平行，一号摄像头与一号LED灯源朝向所述连续机械臂前方，二号摄像头与二号LED灯源朝向所述连续机械臂后方；检测机器人到达目标位置时，SMA弹簧伸长，圆盘基座与柔性管端面轴线垂直，二号摄像头与二号LED灯源朝向所述末端执行器。
4.根据权利要求3所述的检测机器人，其特征在于，所述柔性管靠近端面设置末端支撑圆盘，所述SMA弹簧固定连接于末端支撑圆盘，且摄像装置铰接于所述末端支撑圆盘。
5.根据权利要求3所述的检测机器人，其特征在于，所述三段式连杆机构包括主动杆、连接杆和从动杆，所述SMA弹簧收缩时，主动杆和从动杆平行，连接杆与主动杆的延伸方向成锐角夹角。
6.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述连续型机械臂还包括固定在两个支撑圆盘之间的圆柱螺旋弹簧，所述圆柱螺旋弹簧套装在钢柔性管外。
7.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述的齿轮传动机构包括一对相互啮合的齿轮，两齿轮轴线相互垂直，其中一个齿轮固定于钢丝软轴末端，另一个齿轮的输出轴与末端执行器连接固定。
8.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述支撑圆盘通孔中均镶嵌有碳纤维管，所述驱动线穿过碳纤维管。
9.根据权利要求1所述的检测机器人，其特征在于，所述连续型机械臂中两个所述支撑圆盘上均固定至少一条驱动线。
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