CN112621736A - 一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种机器人技术领域，公开了一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人，包括功能端和控制端；功能端包括：柔性机械臂模块，摄像照明模块，顶部固定模块，放缩模块，驱动模块，传动模块，传感器模块；控制端包括：柔性机械臂控制模块，摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定位姿；传感器控制模块，实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集和力传感器的初始预紧功能。本发明通用性强、模块化程度高、安全及相对尺寸较小；同时减少钢塑软管与放缩盘之间的摩擦；减小钢塑软管中丝随钢塑软管急剧变化产生较大的滑动摩擦力，间隔圆盘的固定方式使得连续体机器人有足够的抗扭刚度。

Description

一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人

技术领域

本发明属于特种机器人技术领域，尤其涉及一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人。

背景技术

目前，狭窄拥塞的环境中执行精细任务，一直是传统连续体机器人难以攻克的瓶颈。超冗余的蛇形机器人或无限冗余的连续体机器人为机器人在狭窄空间中执行任务提供了可能。由于大型设备的检测及维修需要承担高昂的成本费用。因而最近几年超冗余机器人引起了许多研究者的关注。较早的OC机器人主要用核反应设备的检测和维修，该机器人拥有20个自由度。沈阳自动化研究所和海安交睿机器人分别都研发24自由度和25自由度的超冗余机器人。其中，他们的机械本体及控制部分结构尺寸相对较大，最为主要的是由于自由度和可控性的限制超冗余机器人柔性臂长度并不能满足大型设备的检修及维护任务。以海安交睿机器人为例执行体的长度仅为1235mm，无法解决超大型设备检修及维护任务。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有超冗余机器人结构尺寸大，拥有的自由度数目相对较少，在运动过程中柔索或杆的摩擦力较大，解决间隔圆盘抗扭的问题较复杂，未能将机械部分与电柜控制部分集成化一体设计或者设计在一起结构尺寸相当大。

解决以上问题及缺陷的难度为：保证小结构尺寸下安装更多的驱动单元，保证小结构尺寸下各个模块的选型、布局和排线；该设计布局难度较大。与海安交睿连续体机器人相比，本发明结构尺寸比其小的多，然而关于连续体机器人自由度本发明增大了10个，相当于多增加了16个驱动单元，该系统无单独控制柜部分，该部分集成到了机械结构中，该部分设计布局实现难度较大；解决柔性臂上间隔圆盘不抗扭的问题，难度一般；放缩盘的设计减少柔索或杆在运动过程中存在摩擦力较大的问题，难度一般。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明是面向深腔作业的柔性机械臂系统，在设计和结构布局的尺寸上集成化程度高，相对现有超冗余机器人结构尺寸较小。可控自由度多，执行体结构尺寸长，容易更换，灵活性强，柔性臂结构的柔顺灵活性高，原位检测可控自由度为35个，针对超大型航天工作站或超大型装备的检测和维修有着重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人。系统共计拥有35个自由度，其中34个自由度为柔性体自由度，另外该系统预留一个驱动传动模块，可以增加末端点的夹持自由度或其它形式实现的自由度，因此本发明涉及一种面向深腔作业的柔性机械臂系统拥有35个自由度。

本发明是这样实现的，一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，所述面向深腔作业的柔性机械臂系统包括：功能端和控制端；

功能端包括：

柔性机械臂模块，包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的；

摄像照明模块，捕捉并指定目标点的位置；顶部固定模块，用以固定拆卸柔性机械臂；放缩模块，调整柔性机械臂的姿态；

驱动模块，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器运动传递给丝杆滑块机构，再通过滑块上固定的螺母座带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转；

传动模块，通过丝杆导轨的下底板和丝杆导轨的上底板进行固定，丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以使丝杆在周向的正常工作；

传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接；

控制端包括：

柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂35个自由度的52个控制电机；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件；实现柔性机械臂在每段构节处实现两个平面弯转自由度；

摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；

传感器控制模块，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现力传感器的初始预紧功能。

优选的，所述柔性机械臂模块一种结构为选用一组纵横交错的镍钛合金板作为结构主骨架，其中，单节段的镍钛合金板数量为2个或者是4个。

优选的，柔性机械臂模块构型二包括间隔盘、镍钛合金杆、固定间隔盘、柔索/杆及间隔盘固定环；

优选的，柔性机械臂模块构型三，具体的间隔盘在每段构节中分布多个，间隔盘的线孔分成两圈，间隔盘中间通过柔性骨架，间隔盘的固定通过固定环限制其轴向及周向的自由度；固定环数量为2个；间隔圆盘采用激光焊接在结构主骨上，结构主骨材料为直径5mm的镍钛合金杆。

进一步，所述机械本体设置有顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、丝杆导轨上底板、丝杆导轨下底板、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板；

顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板均通过大螺栓导向杆及小螺栓导向杆连接装配而成；其中，丝杆导轨上底板和丝杆导轨的下底板，是通过两个螺帽进行压紧固定。

进一步，所述驱动模块固定板包括上固定板及下固定板；放缩基准盘为钢塑软管放缩圆盘包括基准放缩板和五个不同直径的圆盘，当柔性机械臂尺寸较小时钢塑软管更换为镍钛合金管；

大螺栓导向杆数量为4个、小螺栓导向杆的数量为8个。

进一步，所述顶部固定模块设置有顶部固定头，顶部固定头设置有顶部固定板，固定盘上设置有螺纹孔。

进一步，所述传动模块设置有导轨滑块、螺母、螺母座、连接压板、拉压力传感器、丝杆；

螺母通过螺母座安装在丝杆滑块上，螺母座贯穿有丝杆，螺母座上通过螺栓杆固定有连接压板，连接压板上固定有压力传感器，压力传感器通过螺栓杆与柔索或杆连接；

其中，传动模块中螺母座在丝杆和螺母的传动下拉或推动柔索和杆实现柔性连续机械臂的变形；传动模块的螺母座应布局在丝杆的中间。

进一步，所述驱动模块设置有联轴器、行星减速器及伺服电机；

伺服电机通过行星减速器与联轴器连接，联轴器与传动模块连接。

进一步，所述放缩模块设置有驱动绳索或杆的放缩盘；

放缩圆盘主要包括第一层放缩盘、第二层放缩盘、第三层放缩盘、第四层放缩盘、第五层放缩盘、放缩基准盘；

放缩基准盘上端为第五层放缩盘，第五层放缩盘上端为第四层放缩盘，第四层放缩盘上端为第三层放缩盘，第三层放缩盘上端为第二层放缩盘，第二层放缩盘上端为第一层放缩盘；

当钢塑软管穿过放缩盘中的一个孔时，每个孔均处理了一定的圆弧角度；钢塑软管与放缩盘的接触点应保证不产生相对滑移。

进一步，所述柔性机械臂模块中柔性机械臂共有17节段，其中，两个节段为第一节段和第二节段；

柔性机械臂包括：锁紧环、间隔圆盘、柔索或杆或结构次骨、钢塑软管、结构主骨、螺栓固定杆、紧定螺钉；其中，锁紧环包括：上锁紧环和下锁紧环；螺栓固定杆的数量为4个；紧定螺钉的数量也为4个；

间隔圆盘采用上锁紧环和下锁紧环通过螺栓固定杆将间隔圆盘与锁紧环联结成一个模块；

上锁紧环和下锁紧环通过紧顶螺钉固定在间隔圆盘上，间隔圆盘中间穿插有结构主骨，间隔圆盘边缘部穿插有柔索或杆或结构次骨。

本发明另一目的在于提供一种连续体机器人，所述连续体机器人搭载有所述的面向深腔作业的柔性机械臂系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明结构紧凑，实现了超冗余机器人的机电一体化设计，机器人可控自由度多，容易实现不同结构尺寸或类型的柔性机械臂更换。本发明的上下锁紧环结构保证连续体柔性臂有着足够的抗扭刚度。本发明柔性机械臂的尺寸小，可控自由度达35个，导致柔性机械臂构型较长，在一些高危复杂的环境中可以执行一些精细的任务；可以满足超大型设备的监测及维修任务。

本发明的面向深腔作业的柔性机械臂系统，功能端中的机械本体中钢塑软管或者镍钛合金管与放缩盘接触时相应的位置不能改变。为了减少钢塑软管与放缩盘之间的摩擦，需要将放缩圆盘与钢塑圆管的接触处处理成圆角，以减小钢塑软管中丝随钢塑软管急剧变化产生较大的滑动摩擦力。

本发明的可控自由度多，长径比可以达到100以上，可以实现狭窄拥塞环境中结构的检修等维护任务。结构上的解耦和算法解耦补偿的引入使得柔性机械臂容易控制，并能执行高难度的任务。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的面向深腔作业的柔性机械臂系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的机械本体模块结构示意图。

图3是本发明实施例提供的功能端中传动模块结构示意图。

图4是本发明实施例提供的功能端中驱动模块结构示意图。

图5是本发明实施例提供的机械本体中柔索或杆的放缩结构。

图6是本发明实施例提供的部分柔性体执行臂模块的立体图。

图中：1、功能端；2、控制端；3、摄像照明模块；4、柔性机械臂模块；5、顶部固定模块；6、放缩模块；7、传动模块；8、驱动模块；9、传感器控制模块；10、摄像照明控制模块；11、第一柔性臂控制模块；12、第二柔性臂控制模块；201、顶部固定头；202、小螺栓导向杆；203、放缩基准盘；204、丝杆导轨上底板；205、大螺栓导向杆；206、丝杆导轨下底板；207、驱动模块固定板；208、传感和摄像模块固定板；209、底板；210、轴模块固定板；71、导轨滑块；72、螺母；73、螺母座；74、连接压板；75、拉压力传感器；76、丝杆；81、联轴器；82、行星减速器；83、伺服电机；501、螺纹孔；502、顶部固定板；601、第一层放缩盘；602、第二层放缩盘；603、第三层放缩盘；604、第四层放缩盘；605、第五层放缩盘；606、放缩基准盘；417、第一节段；416、第二节段；41、上锁紧环；42、下锁紧环；43、间隔圆盘；44、柔索或杆或结构次骨；45、钢塑软管；46、结构主骨；47螺栓固定杆；48、紧定螺钉；417、第一节段；416、第二节段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的面向深腔作业的柔性机械臂系统包括功能端1和控制端2；

功能端1包括：

柔性机械臂模块4，选用一组纵横交错的镍钛合金板作为结构主骨架，其中单节段的镍钛合金板数量为2个或者是4个；柔性机械臂模块包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端执行体结构由17段构节组成，近端由四段构节固定，以保证结构主骨的稳定性。远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的。远端的执行结构包括间隔盘、镍钛合金杆、固定间隔盘、柔索/杆及间隔盘固定环；所述的间隔盘在每段构节中分布多个，间隔盘的线孔分成两圈，间隔盘中间通过柔性骨架，间隔盘的固定通过固定环限制其轴向及周向的自由度；所述的固定环数量为2个。间隔圆盘采用激光焊接在结构主骨上，结构主骨材料为直径5mm的镍钛合金杆。柔性机械臂的执行体可以选用不同的结构，例如每一段在结构主骨上可以换成拉压变刚度的柔性结构，或者是换成离散结构的柔性段。柔性机械臂模块执行体的直径的可填范围在10mm-50mm之间，柔性执行臂的长度为2000mm，执行臂分为17段，总自由度为35个，不包含机器人整体进给自由度。整个机械臂系统的驱动和电控部分是集成的机电一体化设计，柔性机械臂系统长宽为350mm*380mm，体积相对较小。

摄像照明模块3，捕捉并指定目标点的位置；

顶部固定模块5，用以固定拆卸柔性机械臂；

放缩模块6，调整柔性机械臂的姿态；

驱动模块8，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器运动传递给丝杆滑块机构，再通过滑块上固定的螺母座带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转。

传动模块7，通过丝杆导轨的下底板和丝杆导轨的上底板进行固定，其中丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以保证丝杆在周向的正常工作。丝杆上下底板固定采用的是两头螺栓压紧固定，该方法特征在于结构易于拆卸和组装，其中螺栓杆在其固结部分选用的是光轴。传动模块的上下固定板采用的是强度较高7075航空铝材作为固定板，厚度比使用6061铝板减小2mm，使得整个结构重量变得相对较小。

传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，所述的力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；所述的力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接。

控制端包括：

柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂34个自由度的控制；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件。实现柔性机械臂在每段构节处实现两个平面弯转自由度。

摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；

传感器控制模块9，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现连续体机器人构型的初始预紧功能。传感器控制模块9用于控制和反馈柔索或杆44所受的拉压力，由于连续体机器人长时间工作或受较大的载荷时柔索或杆会松动或者是会拉伸变长；作业完成后连续体机器人无法恢复到原始的构型；针对52个电机运动驱动平台，通过数显拉力传感器逐一调节成本较高；通过拉压力传感器75的反馈找初始构型进行初始预紧再控制是实现连续体机器人控制的关键；保证初始构型下柔索或杆具有相同的拉压力，该环节是实现连续体机器人动力学控制的基础。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，机械本体模块；机械本体是柔性机械臂的基本架构，机械本体部分包括：顶部固定头201、小螺栓导向杆202、放缩基准盘203、丝杆导轨上底板204、丝杆导轨下底板206、大螺栓导向杆205、驱动模块固定板207、传感和摄像模块固定板208、底板209及轴模块固定板210。

具体地，顶部固定头201、小螺栓导向杆202、放缩基准盘203、大螺栓导向杆205、驱动模块固定板207、传感和摄像模块固定板208、底板209及轴模块固定板210均通过大螺栓导向杆205及小螺栓导向杆202连接装配而成；每个模块的轴向固定方式略有不同，其中，丝杆导轨上底板204和丝杆导轨的下底板206，是通过两个螺帽进行压紧固定，其他模块均采用两个螺帽挤压进行预紧固定。

驱动模块固定板207包括上固定板及下固定板；放缩基准盘203为钢塑软管放缩圆盘包括基准放缩板和三个不同直径的圆盘，钢塑软管更换为镍钛合金管；大螺栓导向杆205数量为4个、小螺栓导向杆202的数量为8个；顶部固定模块5设置有顶部固定头201，顶部固定头201设置有顶部固定板502，固定盘502上设置有螺纹孔501。顶部固定板502可以实现直径10mm-50mm柔性机械臂的更换。

如图3所示，传动模块包括：导轨滑块71、螺母72、螺母座73、连接压板74、拉压力传感器75、丝杆76；

具体的；传动模块将电机的旋转运动转换为直线进给运动，螺母72通过螺母座73安装在丝杆滑块71上，主要是限制丝杆螺母空转时的周向自由度；另外导轨的硬度约为60HRC，其硬度高于光杆导轨，相同载荷下要求的光杆导轨尺寸相对较大；考虑到机械系统的结构尺寸，较佳的结构选用丝杆滑块结构。

螺母座73贯穿有丝杆76，螺母座73上通过螺栓杆固定有连接压板74，连接压板74上固定有压力传感器75，压力传感器75通过螺栓杆与柔索或杆连接，实现驱动索或杆的固定。其中，传动模块7中螺母座73在丝杆和螺母的传动下拉或推动柔索和杆实现柔性连续机械臂的变形。传动模块7的螺母座73应布局在丝杆76的中间，该布置可以实现柔索或杆在驱动连续柔性臂变形的迂回变化。

传动模块摒弃现有丝杆导向杆结构，丝杆76结构尺寸较大，针对52个电机集成驱动控制一体化的柔性机器人平台难以让长宽尺寸控制在380mm以内，该机器人机械本体除放缩部分高度不到650mm。

如图4所示，驱动传动单元包括驱动模块和传动模块；驱动模块主要包括联轴器81、行星减速器82及伺服电机83。伺服电机83通过行星减速器82与联轴器81连接，联轴器81与传动模块连接。所述的伺服电机是驱动一体化的由于面向深腔作业的柔性机械臂系统由52个电机组成，驱动模块8选型与布局设计整个柔性臂系统设计关键。为了减少整个机械系统的结构尺寸，电机选用的驱动一体化伺服电机83，该伺服电机83的转速为3000rpm以上；选用的伺服电机83扭矩为0.72N.m。为了保证输出足够的扭矩，选用了1:15的行星减速器，即便在考虑效率等因素，该减速器比仍可以达到行星减速器的额定扭矩8N.m。驱动控制一体化指的是机械驱动部分及电柜控制部分都做在了一起。上述尺寸包括驱动模块、传动模块、传感模块、传感器控制模块、柔性机械臂控制模块及摄像照明控制模块。驱动模块选用的电机为伺服电机，减速器选用的是额定扭矩为8N.m，因此驱动模块的最大承受是扭矩8N.M，在非通电状态伺服电机会保持一定扭矩为5N.M。

如图5所示，放缩模块6设置有驱动绳索或杆的放缩盘；放缩圆盘主要包括第一层放缩盘601、第二层放缩盘602、第三层放缩盘603、第四层放缩盘604、第五层放缩盘605、放缩基准盘606。

放缩盘的系列尺寸及在小螺栓导向杆202的布局，是一种优化后的等间距布局方式。放缩基准盘606上端为第五层放缩盘605，第五层放缩盘605上端为第四层放缩盘604，第四层放缩盘604上端为第三层放缩盘603，第三层放缩盘603上端为第二层放缩盘602，第二层放缩盘602上端为第一层放缩盘601。当钢塑软管44穿过放缩盘中的一个孔时，为了降低钢塑软管44与放缩盘之间的磨损，每个孔均处理了一定的圆弧角度。为了保证绳索或杆43在驱动过程的精准性，钢塑软管44与放缩盘的接触点应保证不产生相对滑移。

如图6所示，面向深腔作业的柔性机械臂系统中部分柔性机械臂4；柔性机械臂4共有17节段。图6展示了两个节段第一节段417和第二节段416；

柔性机械臂包括：锁紧环、间隔圆盘43、柔索或杆或结构次骨44、钢塑软管45、结构主骨46、螺栓固定杆47、紧定螺钉48。

锁紧环包括：上锁紧环41和下锁紧环42；螺栓固定杆47的数量为4个；紧定螺钉48的数量也为4个。

间隔圆盘43采用上锁紧环41和下锁紧环42通过螺栓固定杆47将间隔圆盘43与锁紧环联结成一个模块；通过8个紧定螺钉48将该模块固定到结构主骨46上，经过仿真分析该结构具有足够的抗拉和抗扭刚度。其中，上锁紧环41和下锁紧环42通过紧顶螺钉48固定在间隔圆盘43上。间隔圆盘43一般分为固定圆盘及限位圆盘，本发明中统称为间隔圆盘，该划分方法的一个主要因素是圆盘在结构主骨上难以约束其周向及轴向的自由度。

间隔圆盘43中间穿插有结构主骨46，间隔圆盘43边缘部穿插有柔索或杆或结构次骨44；

由于结构主骨46要求高弹性、强恢复能力及需要一定的刚度，连续体柔性结构主骨选用的是直径5mm的镍钛合金杆。

连续体柔性机械臂4控制的挑战是结构次骨44耦合控制，解决方法分为两种：一种是结构解耦；另一种是算法解耦。该柔性机械臂4的控制实现是通过算法和结构解耦的混合组合，实现连续体柔性机械臂4的控制。本发明主要侧重于结构上的解耦；但是具体应用时还需要加一些补偿参数；本发明的结构是通过钢塑软管45实现解耦，在结构次骨44驱动柔性机械臂4部分，结构次骨不经过钢塑软管45；其余结构次骨44需要布局在钢塑软管45中。为了保证钢塑软管45首尾两端的固定，在起始的间隔圆盘43和尾端的放缩基准盘203处需要加工相应的沉孔，将钢塑软管45卡住并进行相应的预紧。由于间隔盘43尺寸较小，间隔圆盘43的直径可变范围在10mm-50mm，柔性机械臂4末尾7个构节和前部10个构节采用的是变截面的处理方法。该布局方法有两种：一种是选用不同直径间隔圆盘43，另一种是选用相同直径的圆盘43；本发明中展示后一种的布局方式。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述面向深腔作业的柔性机械臂系统包括：

柔性机械臂模块，包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的；

摄像照明模块，捕捉并指定目标点的位置；顶部固定模块，用以固定拆卸柔性机械臂；放缩模块，调整驱动柔索或杆经过钢塑软管急剧变化所产生的摩擦；

驱动模块，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，再通过滑块上固定的螺母座上的连接压板带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转；

传动模块，通过丝杆导轨的下底板的沉头方孔和丝杆导轨的上底板的沉头方孔通过螺母进行压紧固定，丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以使丝杆在周向的正常工作；

传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接；

柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂35个自由度的控制；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件；实现柔性机械臂在每段构节处完成两个平面弯转自由度；

摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；

传感器控制模块，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现力传感器的初始预紧功能。

2.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述柔性机械臂模块选用一组纵横交错的镍钛合金板作为结构主骨架，单节段的镍钛合金板数量为2个或者是4个。

3.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述远端的执行结构包括间隔盘、镍钛合金杆、固定间隔盘、柔索/杆及间隔盘固定环；

间隔盘在每段构节中分布多个，间隔盘的线孔分成两圈，间隔盘中间通过柔性骨架，间隔盘的固定通过固定环限制其轴向及周向的自由度；固定环数量为2个；间隔圆盘采用激光焊接在结构主骨上，结构主骨材料为直径5mm的镍钛合金杆。

4.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述机械本体设置有顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、丝杆导轨上底板、丝杆导轨下底板、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板；

顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板均通过大螺栓导向杆及小螺栓导向杆连接装配而成；其中，丝杆导轨上底板和丝杆导轨的下底板，是通过两个螺帽进行压紧固定。

5.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述驱动模块固定板包括上固定板及下固定板；放缩基准盘为钢塑软管放缩圆盘包括基准放缩板和五个不同直径的圆盘，如果更换成较小的柔性机械臂尺寸钢塑软管更换为镍钛合金管；

大螺栓导向杆数量为4个、小螺栓导向杆的数量为8个。

6.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述顶部固定模块设置有顶部固定头，顶部固定头设置有顶部固定板，固定盘上设置有螺纹孔。

7.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述传动模块设置有导轨滑块、螺母、螺母座、连接压板、拉压力传感器、丝杆；

螺母通过螺母座安装在丝杆滑块上，螺母座贯穿有丝杆，螺母座上通过螺栓杆固定有连接压板，连接压板上固定有压力传感器，压力传感器通过螺栓杆与柔索或杆连接；

传动模块中螺母座在丝杆和螺母的传动下拉或推动柔索和杆实现柔性连续机械臂的变形；传动模块的螺母座应布局在丝杆的中间，必须保证放缩基准盘引出柔索或杆与固定端在同一水平线上。

8.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述驱动模块设置有联轴器、行星减速器及伺服电机；

伺服电机通过行星减速器与联轴器连接，联轴器与传动模块连接。

9.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述放缩模块设置有驱动绳索或杆的放缩盘；

放缩圆盘主要包括第一层放缩盘、第二层放缩盘、第三层放缩盘、第四层放缩盘、第五层放缩盘、放缩基准盘；

放缩基准盘上端为第五层放缩盘，第五层放缩盘上端为第四层放缩盘，第四层放缩盘上端为第三层放缩盘，第三层放缩盘上端为第二层放缩盘，第二层放缩盘上端为第一层放缩盘；

当钢塑软管穿过放缩盘中的一个孔时，每个孔均处理了一定的圆弧角度；钢塑软管与放缩盘的接触点应保证不产生相对滑移；

所述柔性机械臂模块中柔性机械臂包括17节段；

柔性机械臂包括：锁紧环、间隔圆盘、柔索或杆或结构次骨、钢塑软管、结构主骨、螺栓固定杆、紧定螺钉；其中，锁紧环包括：上锁紧环和下锁紧环；螺栓固定杆的数量为4个；紧定螺钉的数量也为4个；

间隔圆盘采用上锁紧环和下锁紧环通过螺栓固定杆将间隔圆盘与锁紧环联结成一个模块；

上锁紧环和下锁紧环通过紧顶螺钉固定在间隔圆盘上，间隔圆盘中间穿插有结构主骨，间隔圆盘边缘部穿插有柔索或杆或结构次骨。

10.一种连续体机器人，其特征在于，所述连续体机器人搭载有权利要求1～9任意一项所述的面向深腔作业的柔性机械臂系统。

Images