CN113017689B

CN113017689B - 一种柔体臂装置及其控制方法

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Publication number: CN113017689B
Application number: CN202110236153.6A
Authority: CN
Inventors: 周俊杰; 张凌钰; 马惠臣
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: CN113017689A

Abstract

本发明涉及一种柔体臂装置，包括控制单元、通过通讯模块与所述控制单元相连的执行单元；所述执行单元包括固定座、设于固定座一侧的柔体臂本体、设于固定座另一侧的顶盖，所述固定座侧立面上设有至少三个气管接头II，所述气管接头II位于所述固定座外的端部与比例阀II连接，所述比例阀II与气泵II连接；所述柔体臂本体内部设有与所述气管接头II数量相对应的气流通道；所述控制单元包括摇杆、手柄、位移传感器，所述位移传感器与所述控制单元的控制器I连接，所述摇杆、所述控制器I均通过通讯模块与所述执行单元的控制器II通信连接，所述控制器II与所述比例阀II连接。本发明具有成本低、亲和性和安全性好、控制简单且效果好、可无接触会诊或远程会诊、反馈逼真、等有益效果。

Description

一种柔体臂装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂领域，具体涉及一种柔体臂装置及其控制方法。

背景技术

柔体机械臂在医疗、康复、按摩等领域具有非常好的前景，可用于无接触超声检测、无接触按摩，在医生进行检测、诊断时，可以实现医生和病人在物理空间上的分隔，在例如新冠疫情感染的严峻态势下，可实现医生和病人的无接触看诊，降低传染病感染的可能性。

柔体机械臂具有高度灵活性、安全性、接触友好性、多自由度等特点。柔体机械臂相对于刚性机械臂来说，在与人体接触时具有更大的亲和性和安全性。目前已有远程超声机器人系统面市，该超声机器人系统为六自由度机器人，实现机械臂的柔顺控制较难，且成本非常高。而柔体机械臂具有天然的柔顺性，制造成本较低，便于普及和推广。

综上，现有技术存在如下问题：

1)传统刚性机械臂结构复杂，控制复杂，亲和性和安全性差；

2)现有柔体机械臂无法实现分体，即无法实现物理空间上的隔离，不便于无接触会诊和远程会诊；

3)现有远程超声机器人柔顺控制较难，且成本非常高；

4)现有柔体机械臂有的无模拟反馈，有的模拟反馈不够逼真。

发明内容

本发明意在提供一种柔体臂装置和控制方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

一种柔体臂装置，包括控制单元、通过通讯模块与所述控制单元相连的执行单元；所述执行单元包括固定座、设于固定座一侧的柔体臂本体、设于固定座另一侧的顶盖，所述固定座侧立面上设有至少三个气管接头II，所述气管接头II位于所述固定座外的端部与比例阀II连接，所述比例阀II与气泵II连接；所述柔体臂本体内部设有与所述气管接头II数量相对应的气流通道，所述气管接头II位于所述固定座内的端部与气流通道连接，所述气流通道的下端封闭且不超出所述柔体臂本体的下端面；所述控制单元包括用于控制柔体臂本体弯转方向和幅度的摇杆、用于控制柔体臂本体按压力度的手柄、用于检测所述手柄收缩量的位移传感器，所述位移传感器与所述控制单元的控制器I连接，所述摇杆、所述控制器I均通过通讯模块与所述执行单元的控制器II通信连接，所述控制器II与所述比例阀II连接。

优选的，所述执行单元还包括柔性力传感器II，所述柔性力传感器II位于所述柔体臂本体的下端面，所述柔性力传感器II与所述控制器II连接。

优选的，所述控制单元还包括外壳和弹性体，所述弹性体位于所述外壳内部，所述弹性体的上端部与所述手柄的下端部相抵接。

优选的，所述控制单元还包括柔性力传感器I，所述柔性力传感器I位于所述手柄和所述弹性体的接触面之间，所述柔性力传感器I与所述控制器I连接。

优选的，所述控制单元还包括底座，所述底座上设有气管接头I，所述气管接头I的上端连接有气管I，所述气管I的上端伸入到弹性体中。

优选的，所述气管接头I的下端与比例阀I连接，所述比例阀I与气泵I连接，所述比例阀I与所述控制器I连接。

优选的，所述通讯模块为无线通讯模块或有线通讯模块。

一种柔体臂控制方法，包括如下步骤：

S1、操作手柄：操作摇杆和手柄；

S2、获取数据：通过位移传感器获取手柄的位移参数，通过柔性力传感器I获取手柄受到的弹性体的作用力参数I；

S3、数据传输和转换：摇杆的弯转方向和幅度参数经通讯模块传输至控制器II，手柄的位移和作用力参数传输至控制器I，控制器I将位移参数传输至控制器II；控制器II根据所接收的摇杆弯转方向和幅度参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体发生相应弯转方向和幅度的弯转压强值，控制器II根据所接收的手柄位移参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体发生伸长形变的伸长压强值；

S4、执行：控制器II根据弯转压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体在气流通道的作用下发生弯曲形变；控制器II根据伸长压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体在气流通道的作用下发生伸长形变；

S5、反馈和校正。

优选的，S3中，控制器II根据所接收的摇杆弯转方向和幅度参数通过多腔控制模型计算得出每个气流通道中所需要的弯转压强值，控制器II将所接收的手柄位移参数按比例增大后计算得出每个气流通道中所需要的伸长压强值。

优选的，S5包括如下步骤：

S51：柔性力传感器II获取柔体臂本体端部受到的外界的作用力参数II并将该作用力参数II传输至控制器II，控制器II将作用力参数II传输至控制器I；

S52：控制器I对作用力参数I和作用力参数II进行比较，计算得出作用力参数I和作用力参数II的差值绝对值；控制器I将差值绝对值与预设值进行比较；

S53：若差值绝对值小于预设值，则重复S1至S52；若差值绝对值大于预设值，则，控制器I计算得出弹性体中应充入的气体量并控制比例阀I和气泵I向弹性体中充入相应量的气体，或者，控制器I控制比例阀I和气泵I向弹性体中充入气体直至差值绝对值小于预设值，然后重复S1至S52。

本发明提供的一种柔体臂装置和控制方法，通过设置摇杆和手柄，实现对方向和力度的控制，通过位移传感器的设置，可以检测手柄的运动位移，控制单元对通过无线通讯系统将摇杆的方向参数和手柄的伸长位移参数传输至执行单元，执行单元根据所接收的摇杆弯转方向和幅度参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体发生相应弯转方向和幅度的弯转压强值，并根据所接收的手柄位移参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体发生伸长形变的伸长压强值，从而实现对受用者的按摩，控制方法简单；控制单元与执行单元通过无线通讯系统无线连接，可以实现控制人员和受用人员在物理空间上的分隔，实现无接触会诊，甚至实现远程会诊；通过设置弹性体模拟执行单元中柔体臂本体末端收到的反作用力，通过对柔性传感器I和柔性传感器II的数值的对比及校正，使得通过弹性体模拟的反作用力更加逼真，便于使用控制单元的控制人员得到更加真实的反馈，从而更好的掌握角度和力度。

综上，本发明提供的一种柔体臂装置和控制方法，具有如下有益效果：

1)柔体机械臂具有天然的柔顺性，制造成本低，且亲和性和安全性更好；

2)物理空间上相互独立的控制单元和执行单元，控制简单，且可实现无接触会诊或远程会诊；

3)通过设置弹性体模拟执行单元中柔体臂本体末端收到的反作用力，可以给以控制者以力度反馈，更便于掌握按压的角度和力度；

4)通过对柔性传感器I和柔性传感器II的数值的对比及校正，使得通过弹性体模拟的反作用力更加逼真，控制效果更精准。

附图说明

图1为本发明的一种柔体臂装置的结构示意框图；

图2为本发明的一种柔体臂装置中控制单元的结构示意图；

图3为本发明的一种柔体臂装置中执行单元的结构示意图；

图4为本发明的一种柔体臂装置的控制方法的步骤流程图；

图5为本发明的一种柔体臂装置的控制方法中S5的步骤流程图；

附图中的附图标记依次为：1、控制单元，11、手柄，12、外壳，13、柔性力传感器I，14、气管I，15、弹性体，16、气管接头I，17、底座，18、位移传感器，19、摇杆，2、执行单元，21、气管II，22、气管接头II，23、顶盖，24、固定座，25、柔体臂本体，26、柔性力传感器II。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：

参照图1至图3所示，一种柔体臂装置，其改进之处在于：包括控制单元1、通过通讯模块与所述控制单元1相连的执行单元2；所述执行单元2包括固定座24、设于固定座24一侧的柔体臂本体25、设于固定座24另一侧的顶盖23，所述固定座24侧立面上设有至少三个气管接头II22，所述气管接头II22位于所述固定座24外的端部与比例阀II连接，所述比例阀II与气泵II连接；所述柔体臂本体25内部设有与所述气管接头II22数量相对应的气流通道，所述气管接头II22位于所述固定座24内的端部与气流通道连接，所述气流通道的下端封闭且不超出所述柔体臂本体25的下端面；所述控制单元1包括用于控制柔体臂本体25弯转方向和幅度的摇杆19、用于控制柔体臂本体25按压力度的手柄11、用于检测所述手柄11收缩量的位移传感器18，所述位移传感器18与所述控制单元1的控制器I连接，所述摇杆19、所述控制器I均通过通讯模块与所述执行单元2的控制器II通信连接，所述控制器II与所述比例阀II连接。

本实施例中，摇杆19的弯转方向和幅度参数经通讯模块传输至控制器II，手柄11的位移和作用力参数传输至控制器I，控制器I将位移参数传输至控制器II；控制器II根据所接收的摇杆19弯转方向和幅度参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体25发生相应弯转方向和幅度的弯转压强值，控制器II根据所接收的手柄11位移参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体25发生伸长形变的伸长压强值；控制器II根据弯转压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体25在气流通道的作用下发生弯曲形变；控制器II根据伸长压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体25在气流通道的作用下发生伸长形变。

进一步的，所述固定座24和所述柔体臂本体25为圆柱型。

进一步的，所述固定座24的上的气管接头II22的数量为三，且沿圆柱侧面均匀分布。

进一步的，所述通讯模块为无线通讯模块或有线通讯模块。

本实施例提供的一种柔体臂装置，具有如下有益效果：

2)物理空间上相互独立的控制单元和执行单元，控制简单，且可实现无接触会诊或远程会诊。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述执行单元2还包括柔性力传感器II26，所述柔性力传感器II26位于所述柔体臂本体25的下端面，所述柔性力传感器II26与所述控制器II连接。

进一步的，所述控制单元1还包括外壳12和弹性体15，所述弹性体15位于所述外壳12内部，所述弹性体15的上端部与所述手柄11的下端部相抵接。

本实施例中，弹性体15的设置，用于模拟执行单元2中柔体臂本体25末端收到的反作用力，柔体臂本体25在与外界接触时，柔性力传感器II26的数值发生变化，柔性力传感器II26的参数传输至控制器II，控制器II通过通讯模块将参数再传输至控制器I，控制器I将参数转换为弹性体15内的压强值，并将压强值传输至比例阀I，比例阀I控制气泵I向气管I中注入一定量的气体，从而使得弹性体15膨胀，给手柄11以反作用力，该反作用力模拟柔体臂本体25与皮肤接触时得到的反作用力，使得该无线力控系统的控制更加逼真，使得控制人员得到更加真实的反馈。

实施例3：

在实施例1和2的基础上，所述控制单元1还包括柔性力传感器I13，所述柔性力传感器I13位于所述手柄11和所述弹性体15的接触面之间，所述柔性力传感器I13与所述控制器I连接。

进一步的，所述控制单元1还包括底座17，所述底座17上设有气管接头I16，所述气管接头I16的上端连接有气管I14，所述气管I14的上端伸入到弹性体15中。

进一步的，所述气管接头I16的下端与比例阀I连接，所述比例阀I与气泵I连接，所述比例阀I与所述控制器I连接。

当手柄11与弹性体15接触时，柔性力传感器I13的数值发送至控制器I，控制器I将柔性力传感器II26的数值与柔性力传感器I13的数值进行比较，如果数值差的绝对值小于预设值，则读取下次的摇杆19和手柄11的动作，若差值绝对值大于预设值，则，控制器I计算得出弹性体15中应充入的气体量并控制比例阀I和气泵I向弹性体15中充入相应量的气体，或者，控制器I控制比例阀I和气泵I向弹性体15中充入气体直至差值绝对值小于预设值。

本实施例中，弹性体15内因气体注入而产生膨胀，给控制者以力的反馈，有利于控制者掌握力度，通过将柔性力传感器II26的数值与柔性力传感器I13的数值进行不断的比较和校正，使用户得到更加逼真的反馈，从而使得控制效果更加的精准。

实施例4：

一种柔体臂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、操作手柄：操作摇杆19和手柄11；

S2、获取数据：通过位移传感器18获取手柄11的位移参数，通过柔性力传感器I13获取手柄11受到的弹性体15的作用力参数I；

S3、数据传输和转换：摇杆19的弯转方向和幅度参数经通讯模块传输至控制器II，手柄11的位移和作用力参数传输至控制器I，控制器I将位移参数传输至控制器II；控制器II根据所接收的摇杆19弯转方向和幅度参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体25发生相应弯转方向和幅度的弯转压强值，控制器II根据所接收的手柄11位移参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体25发生伸长形变的伸长压强值；

S4、执行：控制器II根据弯转压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体25在气流通道的作用下发生弯曲形变；控制器II根据伸长压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体25在气流通道的作用下发生伸长形变；

S5、反馈和校正。

进一步的，S3中，控制器II根据所接收的摇杆19弯转方向和幅度参数通过多腔控制模型计算得出每个气流通道中所需要的弯转压强值，控制器II将所接收的手柄11位移参数按比例增大后计算得出每个气流通道中所需要的伸长压强值。

进一步的，S5包括如下步骤：

S51：柔性力传感器II(26)获取柔体臂本体(25)端部受到的外界的作用力参数II并将该作用力参数II传输至控制器II，控制器II将作用力参数II传输至控制器I；

S53：若差值绝对值小于预设值，则重复S1至S52；若差值绝对值大于预设值，则，控制器I计算得出弹性体(15)中应充入的气体量并控制比例阀I和气泵I向弹性体(15)中充入相应量的气体，或者，控制器I控制比例阀I和气泵I向弹性体(15)中充入气体直至差值绝对值小于预设值，然后重复S1至S52。

本实施例提供的一种柔体臂本体无线力控系统的控制方法，控制方法简单，具有模拟反馈机制，且通过不断的校正使得模拟效果更加逼真，从而更加有利于控制者调整控制角度和力度，使得控制效果更加精准。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请所述的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔体臂装置，其特征在于：包括控制单元（1）、通过通讯模块与所述控制单元（1）相连的执行单元（2）；所述执行单元（2）包括固定座（24）、设于固定座（24）一侧的柔体臂本体（25）、设于固定座（24）另一侧的顶盖（23），所述固定座（24）侧立面上设有至少三个气管接头II（22），所述气管接头II（22）位于所述固定座（24）外的端部与比例阀II连接，所述比例阀II与气泵II连接；所述柔体臂本体（25）内部设有与所述气管接头II（22）数量相对应的气流通道，所述气管接头II（22）位于所述固定座（24）内的端部与气流通道连接，所述气流通道的下端封闭且不超出所述柔体臂本体（25）的下端面；所述控制单元（1）包括用于控制柔体臂本体（25）弯转方向和幅度的摇杆（19）、用于控制柔体臂本体（25）按压力度的手柄（11）、用于检测所述手柄（11）收缩量的位移传感器（18），所述位移传感器（18）与所述控制单元（1）的控制器I连接，所述摇杆（19）、所述控制器I均通过通讯模块与所述执行单元（2）的控制器II通信连接，所述控制器II与所述比例阀II连接；所述控制单元（1）还包括外壳（12）和弹性体（15），所述弹性体（15）位于所述外壳（12）内部，所述弹性体（15）的上端部与所述手柄（11）的下端部相抵接，所述弹性体（15）用于给手柄提供力的反馈；所述控制单元（1）还包括底座（17），所述底座（17）上设有气管接头I（16），所述气管接头I（16）的上端连接有气管I（14），所述气管I（14）的上端伸入到弹性体（15）中。

2.根据权利要求1所述的一种柔体臂装置，其特征在于：所述执行单元（2）还包括柔性力传感器II（26），所述柔性力传感器II（26）位于所述柔体臂本体（25）的下端面，所述柔性力传感器II（26）与所述控制器II连接。

3.根据权利要求1所述的一种柔体臂装置，其特征在于：所述控制单元（1）还包括柔性力传感器I（13），所述柔性力传感器I（13）位于所述手柄（11）和所述弹性体（15）的接触面之间，所述柔性力传感器I（13）与所述控制器I连接。

4.根据权利要求1所述的一种柔体臂装置，其特征在于：所述气管接头I（16）的下端与比例阀I连接，所述比例阀I与气泵I连接，所述比例阀I与所述控制器I连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种柔体臂装置，其特征在于：所述通讯模块为无线通讯模块或有线通讯模块。

6.一种如权利要求1-5任一所述的柔体臂装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、操作手柄：操作摇杆（19）和手柄（11）；

S2、获取数据：通过位移传感器（18）获取手柄（11）的位移参数，通过柔性力传感器I（13）获取手柄（11）受到的弹性体（15）的作用力参数I；

S3、数据传输和转换：摇杆（19）的弯转方向和幅度参数经通讯模块传输至控制器II，手柄（11）的位移和作用力参数传输至控制器I，控制器I将位移参数传输至控制器II；控制器II根据所接收的摇杆（19）弯转方向和幅度参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体（25）发生相应弯转方向和幅度的弯转压强值，控制器II根据所接收的手柄（11）位移参数计算得出气流通道所需要的使柔体臂本体（25）发生伸长形变的伸长压强值；

S4、执行：控制器II根据弯转压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体（25）在气流通道的作用下发生弯曲形变；控制器II根据伸长压强值控制比例阀II和气泵II向气流通道中充入相应量的气体，使得柔体臂本体（25）在气流通道的作用下发生伸长形变；

S5、反馈和校正。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：S3中，控制器II根据所接收的摇杆（19）弯转方向和幅度参数通过多腔控制模型计算得出每个气流通道中所需要的弯转压强值，控制器II将所接收的手柄（11）位移参数按比例增大后计算得出每个气流通道中所需要的伸长压强值。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于：S5包括如下步骤：

S51：柔性力传感器II（26）获取柔体臂本体（25）端部受到的外界的作用力参数II并将该作用力参数II传输至控制器II，控制器II将作用力参数II传输至控制器I；

S53：若差值绝对值小于预设值，则重复S1至S52；若差值绝对值大于预设值，则，控制器I计算得出弹性体（15）中应充入的气体量并控制比例阀I和气泵I向弹性体（15）中充入相应量的气体，或者，控制器I控制比例阀I和气泵I向弹性体（15）中充入气体直至差值绝对值小于预设值，然后重复S1至S52。