一种可折叠充气式机械臂系统及其控制方法技术方案

一种可折叠充气式机械臂系统及其控制方法，属于机器人技术领域。本发明专利技术是为了解决现有的柔性机械臂存在无法折叠、关节转动范围小，使用不灵活的问题。本发明专利技术中的空气压缩机、控制柜、遥操作手柄和动作捕获系统安装在系统安装面板上，探测相机安装在柔性机械臂的尖端；机械臂本体是由多节机械臂节组成，机械臂节为两端渐缩的筒状结构，多节机械臂节串联并相通形成一个封闭的腔体；相邻的两节机械臂节之间形成机械臂的关节；每相邻的两节机械臂节之间设置有一组气动人工肌肉，相邻的两组气动人工肌肉采用拮抗的布置方式，用于实现相邻的两节机械臂节之间的弯曲并控制机械臂关节的转动角度。本发明专利技术用于危险、高空、受灾领域以及外太空的检验和侦查。外太空的检验和侦查。外太空的检验和侦查。

【技术实现步骤摘要】
一种可折叠充气式机械臂系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于机器人
，涉及一种充气式机械臂系统，具体涉及一种用于探测任务的可折叠充气式机械臂系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]机器人已逐步取代人类成为各类危险环境下的有效探测工具，如强辐射高温核反应堆、高瓦斯浓度矿井、高压深海、随时可能坍塌的震后建筑等环境。其中，传统刚性机器人具有精度高、速度快等优点，并已形成较为成熟的制造及应用体系，但在轻质性、安全性、低成本性等方面存在一定劣势，使其难以满足对人机共融要求较高的探测应用需求。现有的探测装置包括传统刚性机械臂、无人机、轮/腿多足机器人等，虽然传统刚性机械臂已得到一定程度的应用，但仍存在以下制约因素：机构占用体积大、重量大、成本高、待机时间短，降低了系统的便携性、易用性；对环境的适应性较差，制约了系统的人机共融交互安全性；因此机械臂逐渐由刚性转变为柔性，制造出了很多仿生的机器人。蛙泳机器人、灵动机械手的关键部分均采用了人工肌肉驱动，柔性化的趋势随之而展开，但是现有的采用人工肌肉驱动的机械臂存在无法折叠、关节转动范围小，使用不是很灵活。

技术实现思路

[0003]本专利技术需要解决的技术问题是：现有的柔性机械臂存在无法折叠、关节转动范围小，使用不灵活的问题，进而提供一种可折叠充气式机械臂系统。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0005]一种可折叠充气式机械臂系统，包括空气压缩机、控制柜、柔性机械臂、探测相机、遥操作手柄、动作捕获系统和系统安装面板；所述的空气压缩机、控制柜、遥操作手柄和动作捕获系统安装在系统安装面板上，所述的柔性机械臂可折叠，折叠后的机械臂通过固定绑带绑扎在控制柜上，探测相机安装在柔性机械臂的尖端，并通过无线网络获取探测画面；所述的动作捕获系统用于获取柔性机械臂各关节的旋转角度，所述的遥操作手柄用于实现人在回环调整柔性机械臂的运动状态，所述的空气压缩机为柔性机械臂提供气源，所述的控制柜用于柔性机械臂的气路控制和遥操作手柄、动作捕获系统的电路控制；所述的柔性机械臂包括机械臂本体和多组气动人工肌肉，所述的机械臂本体是由多节机械臂节组成，所述的机械臂节为两端渐缩的筒状结构，多节机械臂节串联并相通形成一个封闭的腔体；相邻的两节机械臂节之间形成机械臂的关节；每相邻的两节机械臂节之间设置有一组气动人工肌肉，相邻的两组气动人工肌肉采用拮抗的布置方式，用于实现相邻的两节机械臂节之间的弯曲并控制机械臂关节的转动角度。
[0006]一种可折叠充气式机械臂系统的控制方法，具体控制过程如下：
[0007]步骤1，利用动作捕获系统捕获处于柔性机械臂尖端的探测相机的位置，判断探测相机的位置是否处于期望位置值，如果是，则结束，否则进行步骤2；
[0008]步骤2，操作者根据探测目标调整遥操作手柄，利用计算控制模块接收和存储遥操
作手柄中的每个舵机的位置值，从而生成每个舵机的期望关节角；
[0009]步骤3，利用计算控制模块接收和存储动作捕获系统所捕获的处于展开充气状态下的机械臂本体各个关节的角度值，如果每个关节的角度值等于其所对应的舵机的期望关节角时，则结束，否则进行步骤4；
[0010]步骤4，如果每个关节的角度值偏离其所对应的舵机的期望关节角时，计算控制模块生成每根气动人工肌肉的期望气压值，利用计算控制模块接收和存储由气压采集模块所采集的每根气动人工肌肉的气压值；如果所采集的气动人工肌肉的气压值等于各自的期望气压值时，则气动人工肌肉内的气压即为初始气压；如果所采集的气动人工肌肉的气压值偏离各自的期望气压值时，则计算控制模块生成信号，并将信号发送至充放气电磁阀岛，直至调整每根气动人工肌的气压值为其各自的期望气压值，机械臂本体末端机械臂节的位姿为期望位姿。
[0011]本专利技术与现有技术相比产生的有益效果是：
[0012]1、本专利技术中的机械臂本体和柔性驱动器(气动人工肌肉)采用了充气式的结构，可折叠为圆柱形包裹放入控制柜存放，具有轻量化、便携性、柔顺性高和成本低的特点，充气式臂杆内部气体的可压缩性解决了现有探测设备安全性较差的问题，为复杂精密环境下的探测任务提供了新的解决方案；
[0013]2、本专利技术具有极高的环境顺应性，可应用于复杂灾害环境、珍稀动植物/文物等顺应性限制条件下的探测任务；
[0014]3、本专利技术整体结构轻量化，基于包含集成阀岛、传感模块、气接口的集成控制柜，减小了装置体积，简化了装置结构，成本更低；
[0015]4、本专利技术通过视觉捕获系统实现了关节位置闭环，从而使得机械臂本体关节的运动状态受到控制，并通过计算控制模块有效减小了跟踪误差，解决了充气式机械臂关节运动精度有限的问题；
[0016]5、本专利技术通过基于舵机的遥操作手柄实现了人在回环，从而使得机械臂本体末端的机械臂节的运动状态受到控制，解决了充气式机械臂末端运动精度有限和运动规划困难的问题；
[0017]6、每组气动人工肌肉中的两根气动人工肌肉均设定了初始气压，使得气动人工肌肉具有更好的刚度，并且实现了气压伺服控制。
附图说明
[0018]附图作为本申请的一部分，用来提供对本专利技术的进一步的理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，但不构成对本专利技术的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。
[0019]图1为械臂本体在折叠状态下的三维结构示意图；
[0020]图2为控制柜的三维结构示意图；
[0021]图3为控制柜的三维结构示意图
[0022]图4为气动控制关系示意图；
[0023]图5为机械臂本体在展开状态下的三维结构示意图；
[0024]图6为机械臂本体在充气状态下的三维结构示意图；
[0025]图7为遥操作手臂的三维结构示意图；
[0026]图8为气动人工肌肉与机械臂本体的连接结构示意图；
[0027]图9为固定件的结构示意图；
[0028]图10为本专利技术机械臂的控制逻辑框图。
[0029]图中，1
‑
空气压缩机；2
‑
控制柜；2
‑1‑
第一面板；2
‑2‑
第一溢流阀；2
‑3‑
第二溢流阀；2
‑4‑
充放气开关阀岛；2
‑4‑1‑
充气电磁阀；2
‑4‑2‑
放气电磁阀；2
‑4‑3‑
充气汇流排；2
‑4‑
4放气汇流排；2
‑5‑
第二面板；2
‑6‑
第四面板；2
‑7‑
穿板接头；2
‑8‑
计算控制模块；2
‑9‑
气压采集模块；2
‑
10
‑
第三面板；2
‑
11
‑
直流电源；2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，包括空气压缩机(1)、控制柜(2)、柔性机械臂(3)、探测相机(4)、遥操作手柄(5)、动作捕获系统(6)和系统安装面板(7)；所述的空气压缩机(1)、控制柜(2)、遥操作手柄(5)和动作捕获系统(6)安装在系统安装面板(7)上，所述的柔性机械臂(3)可折叠，折叠后的机械臂通过固定绑带(8)绑扎在控制柜(2)上，探测相机(4)安装在柔性机械臂(3)的尖端，并通过无线网络获取探测画面；所述的动作捕获系统(6)用于获取柔性机械臂(3)各关节的旋转角度，所述的遥操作手柄(5)用于实现人在回环调整柔性机械臂(3)的运动状态，所述的空气压缩机(1)为柔性机械臂(3)提供气源，所述的控制柜(2)用于柔性机械臂(3)的气路控制和遥操作手柄(5)、动作捕获系统(6)的电路控制；所述的柔性机械臂(3)包括机械臂本体和多组气动人工肌肉，所述的机械臂本体是由多节机械臂节(3
‑
1)组成，所述的机械臂节(3
‑
1)为两端渐缩的筒状结构，多节机械臂节(3
‑
1)串联并相通形成一个封闭的腔体；相邻的两节机械臂节(3
‑
1)之间形成机械臂的关节(3
‑
2)；每相邻的两节机械臂节(3
‑
1)之间设置有一组气动人工肌肉，相邻的两组气动人工肌肉采用拮抗的布置方式，用于实现相邻的两节机械臂节(3
‑
1)之间的弯曲并控制机械臂关节的转动角度。2.根据权利要求1所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，每组气动人工肌肉包含两根气动人工肌肉(3
‑
3)和一个固定件(3
‑
4)，所述的固定件(3
‑
4)为一环形的件体，在固定件(3
‑
4)上设置有两个气动人工肌肉(3
‑
3)端部固定节点和两个气动人工肌肉(3
‑
3)穿梭节点，所述的端部固定节点和穿梭节点交替设置，两个端部固定节点的连线为机械臂关节(3
‑
2)的旋转轴线；机械臂的每个关节(3
‑
2)处套装有一个固定件(3
‑
4)，相邻的两个固定件之间沿其各自的轴线方向旋转90
°
设置，每个固定件(3
‑
4)上的两个穿梭节点上分别插装一根气动人工肌肉(3
‑
3)，气动人工肌肉(3
‑
3)可沿着穿梭节点的轴线方向移动，气动人工肌肉(3
‑
3)的两端端部分别固装在与其相邻的固定件(3
‑
4)上的端部固定节点处。3.根据权利要求2所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，所述的固定件(3
‑
4)为绳索，固定件(3
‑
4)紧贴在机械臂的关节(3
‑
2)处设置。4.根据权利要求3所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，所述的遥操作手柄(5)包括手柄基座(5
‑
1)、多个舵机(5
‑
2)、多个舵机支架(5
‑
3)和末端支架(5
‑
4)，所述的多个舵机支架(5
‑
3)首尾顺次连接并通过多个舵机(5
‑
2)实现相邻的两个舵机支架(5
‑
3)之间的转动，处于首端的舵机支架(5
‑
3)与手柄基座(5
‑
1)通过舵机(5
‑
2)相连并可转动，处于尾端的舵机支架(5
‑
3)与末端支架(5
‑
4)通过舵机(5
‑
2)相连并可转动；所述的舵机(5
‑
2)的数量与机械臂关节(3
‑
2)的数量相同。5.根据权利要求4所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，所述的舵机支架(5
‑
3)的首端开有舵机安装口，舵机支架(5
‑
3)的尾端设置有插装槽，所述的手柄基座(5
‑
1)上设置有舵机安装口，末端支架(5
‑
4)的尾端设置有插装槽；手柄基座(5
‑
1)上的舵机安装口上固定有一个舵机(5
‑
2)，手柄基座(5
‑
1)上的舵机(5
‑
2)插装在处于首端的舵机支架(5
‑
3)上的插装槽内，且手柄基座(5
‑
1)上的舵机(5
‑
2)的输出端与舵机插装槽的一侧内壁固连；每个舵机支架(5
‑
3)的舵机安装口内固装有一个舵机(5
‑
2)，固装在舵机支架(5
‑
3)上的舵机(5
‑
2)插装在与其相邻的舵机支架的插装槽内，每个
舵机支架(5
‑
3)上的舵机输出端与所述的相邻的舵机支架上插装槽的一侧内壁固连，所述的处于末端的舵机支架(5
‑
3)上的舵机(5
‑
2)插装在末端支架(5
‑
4)的插装槽内，所述的处于末端的舵机支架(5
‑
3)上的舵机输出轴与末端支架(5
‑
4)插装槽的一侧内壁固连。6.根据权利要求5所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，所述的手柄基座(5
‑
1)、舵机支架(5
‑
3)和末端支架(5
‑
4)由3D打印高韧性光敏树脂制成。7.根据权利要求6所述的一种可折叠充气式机械臂系统，其特征在于，所述的控制柜(2)包含第一面板(2
‑
1)、第二面板(2
‑
5)、第三面板(2
‑
10)、第四面板(2
‑
6)、第一溢流阀(2
‑
2)、第二溢流阀(2
‑
3)、充放气开关阀岛(2
‑
4)、多个穿板接头(2
‑
7)、气压采集模块(2
‑
9)、计算控制模块(2
‑
8)、直流电源(2
‑
11)和接线端子(2
‑
12)；所述的第一面板(2
‑
1)、第二面板(2
‑
5)、第三面板(2
‑
10)和第四面板(2
‑
6)共同组成控制柜的柜架，所述的第一面板(2
‑
1)上开有控制柜进气孔(2
‑
13)，第一溢流阀(2
‑
2)和第二溢流阀(2
‑
3)安装在第一面板(2
‑
1)上，第一溢流阀(2
‑
2)用于控制机械臂本体内的气压，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪皑，孙奎，郭闯强，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：