CN112847309B - 一种可重配置的主动柔性软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可重配置的主动柔性软体机械臂，涉及机器人技术领域，包括柔性机械臂本体，所述柔性机械臂本体包括弹性体结构和驱动测控模块，所述驱动测控模块安装于所述弹性体结构的上方；所述弹性体结构的顶部固定有安装板，所述安装板的上方设置有柔性连接件，用于与所述驱动测控模块连接。本发明在实现各段弹性机械臂驱动控制的同时，可以测得力与位置反馈，配合机器人控制器及相应控制算法，可实现较为精确力与位置混合控制；从而使该机器人同时具备被动柔性和主动柔性，使得机械臂在人机协作中能够执行更加复杂的任务，同时具备更加可靠的安全性。

Description

一种可重配置的主动柔性软体机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可重配置的主动柔性软体机械臂。

背景技术

软体机器人指一类由柔性结构件组成的机械臂，在发生碰撞时可以通过自身的被动的弹性变形，避免产生较大的碰撞接触力从而避免伤害发生，具有本质上的安全性，相较传统工业机器人具有更高的安全性，更加适合人机协作、医疗操作等任务场景。

随着机器人技术的发展以及控制技术的日趋成熟，传统的工业机器人日趋成熟，常见工业机器人通常由驱动关节和连杆构成6～7自由度的串联型机械臂结构，其关节和连杆通常采用刚性结构件。传统工业机器人已经得到广泛应用，但在使用中通常需要严格的安全防护，以防止造成周围人与环境的碰撞伤害，因此只能在限定工作范围和工作对象的条件下运行，无法满足一些较为复杂任务场景需求，如人机协作任务或需要进行力控制的场景。

随着人机协作以及安全性需求的提出，协作型机器人得到了快速发展。目前市场上已有的协作型机械臂大多基于传统的串联刚性机械臂，通过对末端接触力进行检测或估计，实现主动的柔性控制以保证人机协同工作时的安全性，从而可以完成人机协作类型的任务，但是其机械本体是刚性的，其安全性主要依赖可靠的控制算法与软件设计，在人机协作时仍然具有与人体产生刚性碰撞的概率，一旦发生异常碰撞，仍会导致严重安全问题。

针对刚性机械臂的本质安全问题，已经提出了一些柔性机械臂，通过结构上的被动柔性，可实现本质上的安全性，一般这类机器被设计为多段软体结构或弹性结构相连的，一般具有超冗余的自由度，可以实现较为灵活的运动轨迹，又称为连续体机器人。目前已有的连续体机器人通常通过绳驱动进行位置控制，但由于缺乏力的检测与控制，无法对工作时的接触力进行主动控制，若用于人机协作场合，其安全性主要取决于机械结构材料的柔性，属于被动安全。缺乏对力的控制也导致其不能适应力和位置需要同时控制的任务场合。

例如，中国专利CN108393876A提出一种线驱动连续体机器人，用线拉动由虎克铰连接的机械臂；中国专利CN108237524A提出一种线驱动连续性型机器人，通过驱动线拉上下板铰链的关节块产生侧向弯曲或伸缩变形；中国专利CN108481307A提出一种面向大承载的连续型机器人，通过驱动绳驱动弹性机械臂，实现大力承载。中国专利CN108393876A提出一种线驱动连续体机器人，该机构实际机械臂部分为刚体，弯曲范围有限，中国专利CN108237524A提出一种线驱动连续性型机器人，其实际机械结构部分也为刚体，均不适于人机协作场合；中国专利CN108481307A提出一种面向大承载的连续型机器人，虽然能实现一些连续机器人的功能。已提出的连续体机器人中通常是固定结构和长度的，也均未提到力的检测与控制，不具备接触力控制能力，在使用中仍然有较多限制。

所提出的可重配置的主动柔性软体机械臂，通过模块化设计，可以实现机械臂长度的按需配置，同时结合刚性协作机器人主动柔顺控制和软体机器人的本体柔性特征，对人机协作任务中的安全性提供更加可靠保障，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可重配置的主动柔性软体机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，在实现各段弹性机械臂驱动控制的同时，可以测得力与位置反馈，从而可实现较为精确的全闭环的力与位置控制；同时具备被动柔性和主动柔性，使得机械臂在人机协作中能够在可靠保证安全的前提下实现更多复杂的任务。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可重配置的主动柔性软体机械臂，包括柔性机械臂本体，所述柔性机械臂本体包括弹性体结构和驱动测控模块，所述驱动测控模块安装于所述弹性体结构的上方；所述弹性体结构的顶部固定有安装板，所述安装板的上方设置有柔性连接件，用于与所述驱动测控模块连接。

优选的，所述弹性体结构采用弹簧，所述弹簧的顶部设置有环形的所述安装板。

优选的，所述弹簧的直径为80mm，线径为3mm。

优选的，所述柔性连接件采用钢缆，所述安装板上固定有三根所述钢缆，三根所述钢缆沿圆周方向对称分布，每根所述钢缆均连接有一个驱动测控模块。

优选的，三个所述驱动测控模块互成60度夹角布置，并固定在一底板上。

优选的，所述驱动测控模块包括固定支架、伺服电机和线轮，所述伺服电机和线轮安装于所述固定支架上，所述伺服电机的输出轴通过联轴器与所述线轮连接，所述钢缆缠绕于所述线轮上。

优选的，所述伺服电机还连接有驱动器和微控制器。

优选的，所述驱动测控模块上还安装有角位移传感器以及扭矩传感器。

优选的，所述柔性机械臂本体叠加设置有多个。

优选的，多个所述柔性机械臂本体的弹性体结构叠加装配于一起，多个所述柔性机械臂本体的驱动测控模块叠加装配于一起，所述驱动测控模块位于所述弹性体结构的上方。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明连续体机器人机械臂执行部分，采用柔性材料，且在实际运动过程中具有很大的弯曲角度，活动空间大，灵活多变，具有很高的安全性；

(2)本发明连续体机器人采用软体机械臂结构，避免了刚性连续体机器可能的刚性碰撞给人机协作带来的安全风险，在人机协作方面具有更高安全性；

(3)本发明同时具有位置和力闭环，能够实现主动柔顺控制，不但能够更好的保障人机协作安全，还具备了完成复杂力位置混合控制任务的能力。

(4)本发明连续体机器人在结构上由每个模块组成，通过每个模块的组装，实现多节组装，长度可以根据实际应用需要缩短或延伸，通过控制每个模块中的弹簧的变形来实现连续体机器人的多种运动轨迹，长度的延伸也增加了机器人的自由度，使其可实现更大的工作范围和更为灵活的工作位型，从而能够适应复杂环境约束下的运动、避障等任务场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为实施例一可重配置的主动柔性软体机械臂的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为实施例一中驱动测控模块的结构示意图；

图4为实施例二中可重配置的主动柔性软体机械臂的结构示意图；

其中，1为弹簧，2为驱动测控模块，3为安装板，4为钢缆，5为固定支架，6为伺服电机，7为扭矩传感器，8为线轮，9为联轴器，10为角位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种可重配置的主动柔性软体机械臂，包括柔性机械臂本体，所述柔性机械臂本体包括弹性体结构和驱动测控模块2，所述驱动测控模块2安装于所述弹性体结构的上方；所述弹性体结构的顶部固定有安装板3，所述安装板3的上方设置有柔性连接件，用于与所述驱动测控模块2连接。

在本实施例中，所述弹性体结构采用弹簧1，所述弹簧1的顶部设置有环形的所述安装板3；具体地，所述弹簧1的直径为80mm，线径为3mm。

在本实施例中，所述柔性连接件采用钢缆4，所述安装板3上固定有三根所述钢缆4，三根所述钢缆4沿圆周方向对称分布，每根所述钢缆4均连接有一个驱动测控模块2；柔性机械臂本体的运动基于钢缆4驱动实现，一个柔性机械臂本体形成一个单独的模块，由并联排布的三根钢缆4驱动，以使单个模块通过弯曲变形实现末端安装板3的三自由度运动。

在本实施例中，三个所述驱动测控模块2互成60度夹角布置，并固定在一底板上；其中，底板可以为环形版，环绕安装板3的外围设置，而三个所述驱动测控模块2可以通过支架还有螺栓固定于底板的上表面；或者，底板还可以根据工作需要选择其他结构。

在本实施例中，所述驱动测控模块2包括固定支架5、伺服电机6和线轮8，所述伺服电机6和线轮8安装于所述固定支架5上，固定支架5固定于底板上，所述伺服电机6的输出轴通过联轴器9与所述线轮8连接，所述钢缆4缠绕于所述线轮8上。

在本实施例中，所述伺服电机6还连接有驱动器和微控制器；通过微控制器控制伺服电机6旋转，带动线轮8转动，从而通过缆绳拉动弹性机械臂本体，使其进行伸缩以及三维空间的弯曲；其中，驱动器和微控制器可以根据工作需要从现有技术中进行选择。

在本实施例中，所述驱动测控模块2上还安装有角位移传感器10以及扭矩传感器7；其中，角位移传感器10可以布置在伺服电机6电机轴的末端，通过联轴器9与电机轴相连，而扭矩传感器7则可以安装于伺服电机6与线轮8之间。

本发明利用力反馈及位置反馈从而实现机器人的主动柔性(所谓实现主动柔性，就是利用角位移传感器10和扭矩传感器7反馈的信息来识别外界条件，从而在机器人与环境发生接触，产生接触力时，对机器人进行主动控制，使其与环境之间呈现主动柔顺特性)，即机器人在工作过程中可以感受外界环境对各节机械臂的作用力，从而实现主动的避让操作，配合机械臂本体的被动柔性，是一种结合主动柔性和被动柔性优点的本质安全型软体机械臂。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：如图4所示，为实现机械臂的长度重新配置，采用模块化设计，所述柔性机械臂本体叠加设置有多个；其中，多个所述柔性机械臂本体的弹性体结构叠加装配于一起，多个所述柔性机械臂本体的驱动测控模块2叠加装配于一起，所述驱动测控模块2位于所述弹性体结构的上方。

因此，若重新配置机械臂以扩展机械臂长度及自由度时，只需通过简单装配增加若干组控制模块和机械模块，即保证了软体机械臂本体较轻的质量，又实现了机械臂长度的可重配置；具备其他类似机械臂不可比拟的便捷性。

在本实施例中，除实现钢缆驱动外，各个模块之间采用分布式控制，每段机械臂的控制模块均设计了相应的独立微控制器，对软体机械臂进行运动控制，同时在微控制器中实现了基于CAN总线的工业现场总线通讯，可使各段机械臂互相配合完成复杂的运动任务。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种可重配置的主动柔性软体机械臂，其特征在于：包括柔性机械臂本体，所述柔性机械臂本体包括若干弹性体结构和若干驱动测控模块(2)，所述可重配置的主动柔性软体机械臂的弹性体结构和驱动测控模块(2)均采用模块化设计，可通过对弹性体结构和驱动测控模块(2)的数量进行重新配置来改变机械臂总体的长度及自由度；

所述可重配置的主动柔性软体机械臂的驱动测控模块(2)同时具备角位移传感器(10)和扭矩传感器(7)，可测得力与位置反馈，配合相应控制算法，可以实现力的主动柔顺控制，使得所述可重配置的主动柔性软体机械臂同时具备被动柔性和主动柔性控制能力；

所述驱动测控模块(2)安装于所述弹性体结构的上方；所述弹性体结构的顶部固定有安装板(3)，所述安装板(3)的上方设置有柔性连接件，用于与所述驱动测控模块(2)连接；

所述驱动测控模块(2)包括固定支架(5)、伺服电机(6)和线轮(8)，所述伺服电机(6)和线轮(8)安装于所述固定支架(5)上，所述伺服电机(6)的输出轴通过联轴器(9)与所述线轮(8)连接，所述柔性连接件缠绕于所述线轮(8)上；所述驱动测控模块(2)上还安装有角位移传感器(10)以及扭矩传感器(7)，所述角位移传感器(10)布置在所述伺服电机(6)的电机轴的末端，且通过所述联轴器(9)与所述电机轴相连，所述扭矩传感器(7)安装于所述伺服电机(6)与所述线轮(8)之间；

所述弹性体结构采用弹簧(1)，所述弹簧(1)的顶部设置有环形的所述安装板(3)；

所述弹簧(1)的直径为80mm，线径为3mm；

所述柔性连接件采用钢缆(4)，所述安装板(3)上固定有三根所述钢缆(4)，三根所述钢缆(4)沿圆周方向对称分布，每根所述钢缆(4)均连接有一个驱动测控模块(2)；

三个所述驱动测控模块(2)互成60度夹角布置，并固定在一底板上；

所述伺服电机还连接有驱动器和微控制器；

通过微控制器控制所述伺服电机(6)旋转，带动线轮(8)转动，从而通过缆绳拉动弹性机械臂本体，使其进行伸缩以及三维空间的弯曲；

所述柔性机械臂本体叠加设置有多个，且叠加模块的数量能够重新配置；

多个所述柔性机械臂本体的弹性体结构叠加装配于一起，多个所述柔性机械臂本体的驱动测控模块(2)叠加装配于一起，所述驱动测控模块(2)位于所述弹性体结构的上方。

Images