一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法技术

一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法，所述的连续体机器人包括机体、连续体机构、主骨架、刚度调节机构、驱动机构、传感器单元、控制处理模块和电源模块，所述的连续体机构包括连续体机构一、连续体机构二、连续体机构三，均由多个圆形刚性节片、弹性棒、压缩弹簧组成，所述的刚度调节机构由多组摩擦滑块、弹簧、压块、拉杆、连杆、连接轴、转盘、扭簧及拉绳组成，所述控制方法包括位姿控制方法和刚度控制方法。所述的连续体机器人具有结构紧凑、轻便、柔顺、刚度可控等优点，可实现物体缠绕抓取。绕抓取。绕抓取。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法


[0001]本专利技术属于机器人学、控制科学、计算机科学、传感技术的交叉领域，具体为一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法。

技术介绍

[0002]传统工业机械臂是由刚性连杆和离散关节组成，模拟人的手臂在大范围工作空间内实现给定的轨迹使机械臂末端到达指定的工作位置。但是这类刚性机械臂拥有自由度少，柔顺性不足，在面对复杂的工作环境时会发生不可避免的刚性碰撞，存在安全性隐患。而连续体机器人是一种新型仿生机器人，不同于传统的操作机械臂，仿生连续体机器人的模仿对象是象鼻、章鱼触手等柔性生物器官。仿生连续体机器人的主要运动形式表现为弹性结构的伸缩、弯曲变形，相对于传统工业机械臂具有更好的适应性和灵活性，在复杂狭小的环境中可以根据环境产生弯曲变形，避免与复杂操作环境产生碰撞，具有很强的避障能力和环境适应能力，在救援、医疗、深腔探测等传统工业机械臂难以工作的应用场景中具有很大的运用价值。然而连续体机器人的刚度有限，在面对部分精确及刚度要求较高的操作场合时，难以完成任务，因此研究人员提出了刚度调节的方法，如专利公开号：CN107718040A公开的一种“机器人刚度可控关节及其刚度控制方法”，利用电流的热效应作用改变形状记忆合金金属片的形状，改变变刚度结构部分外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的距离，实现变刚度结构部分的壁厚变化，从而使得刚度可控关节在刚性工作状态和柔性工作状态之间的切换，但是控制过程存在温度变化时间，导致刚度变化的响应速度较慢的问题；专利公开号：CN202622798U公开的“一种磁流变连续体机器人操作器”，通过改变线圈的电流可以调节作用在软管内磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，并实现在液固两项之间转换，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用，但实际应用中存在结构复杂、稳定性较差、响应较慢及磁路生热干扰等问题。本专利技术针对目前连续体机器人的结构关节柔性和刚性难以平衡、驱动方式刚度低且较复杂，以及作业末端负载小和操控精度不高的问题，克服上述专利中各种连续体机器人的不足，提出了一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法，对于拓宽连续体机器人的应用范围和场景具有一定的帮助作用。

技术实现思路

[0003]针对仿生连续型机器人在面对一些有精度要求的接触式操作时，不能承受过高载荷的问题，以及人们利用内部拮抗作用，负压阻塞机构，形状记忆合金等方式专利技术了多种变刚度连续型机构，但多数具有不便于控制、变化刚度较小，响应速度较慢等缺陷的问题，设计一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人及控制方法，具有连续体机器人的适应性和灵活性，能够承载一定负荷，变化刚度较大、响应速度较快、控制方便的优点。
[0004]本专利技术提供一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人，由机体、连续体机构、主骨架、刚度调节机构、驱动机构、控制处理模块、传感器单元、电源组成，所述机体用于安装、
固定和支撑所述的机构、单元和模块，所述连续体机构实现机器人的弯曲缠绕功能，所述主骨架穿过连续体机构的中心作为骨架，所述刚度调节机构实现机器人的刚度调节功能，所述驱动机构实现连续体机构、主骨架和刚度调节机构的控制，所述控制处理模块实现驱动机构的驱动，以及传感器单元的传感器数据处理保存，所述传感器单元实现机器人位姿的检测，所述电源为机器人的各个机构、单元和模块供电；
[0005]所述的机体包括电机座一、电机座二、电机座三、基座、外壳一、外壳二和外壳三组成，所述的电机座一安装在外壳一下端和外壳二上端，所述的电机座二安装在外壳二下端和外壳三上端，所述的电机座三安装在外壳三下端，所述的基座安装在外壳一上端；
[0006]所述的连续体机构由连续体机构一、连续体机构二、连续体机构三，由圆形刚性节片、弹性棒、压缩弹簧组成，所述的弹性棒穿过至少2个所述的圆形刚性节片上的槽孔，将至少2个圆形刚性节片串接在一起，所述的压缩弹簧套在弹性棒上，设置在每个圆形刚性节片之间，所述连续体机构一、连续体机构二、连续体机构三依次串联组成三节组合体；
[0007]所述的主骨架穿过连续体机构一、连续体机构二、连续体机构三的所有圆形刚性节片上的中心孔，其最远端与连续体机构三最远端的圆形刚性节片固定，最近端与连续体机构一最近端的圆形刚性节片固定，并且在所有圆形刚性节片之间设置有套在主骨架上的压缩弹簧。
[0008]作为本专利技术结构进一步改进，所述连续体机构二的近端圆形刚性节片与连续体机构一的远端圆形刚性节片相邻，所述连续体机构三的近端圆形刚性节片与所述的连续体机构二的远端圆形刚性节片相邻，并且连续体机构二相对于连续体机构一沿着轴向扭转四十度，所述连续体机构三相对于连续体机构二沿着轴向扭转四十度，所述连续体机构一的三根弹性棒其一端固定在连续体机构一的所有圆形刚性节片中最远端一个圆形刚性节片上的槽孔，其另一端伸出所有圆形刚性节片中最近端一个圆形刚性节片上的槽孔，连续体机构二的三根弹性棒其一端固定在连续体机构二的所有圆形刚性节片中最远端一个圆形刚性节片上的槽孔，其另一端伸出连续体机构二的所有圆形刚性节片的槽孔后，又穿过连续体机构一的所有圆形刚性节片，并与连续体机构一的三根弹性棒的另一端平齐，连续体机构三的三根弹性棒其一端固定在连续体机构三的所有圆形刚性节片中最远端一个圆形刚性节片上的槽孔，其另一端伸出连续体机构三的所有圆形刚性节片的槽孔后，又穿过连续体机构二的所有圆形刚性节片，以及穿过连续体机构一的所有圆形刚性节片，并与连续体机构一的三根弹性棒的另一端平齐。
[0009]作为本专利技术结构进一步改进，所述的刚度调节机构包括摩擦滑块、弹簧、压块、拉杆、连杆、连接轴、转盘、扭簧及拉绳，安装在每个圆形刚性节片上，所述的压块安装在圆形刚性节片边沿部位的槽内；所述的弹簧套着压块的中间定位圆柱；所述的摩擦滑块中心凹槽套着弹簧并安装在压块的导向槽内；所述的拉杆与压块通过连接轴铰接；所述的连杆与拉杆通过连接轴铰接；所述的摩擦滑块、弹簧、压块、拉杆、连杆、连接轴在每一个圆形刚性节片中分为三组，均匀分布在圆形刚性节片的槽内；所述的转盘与三组连杆通过连接轴铰接，所述主骨架穿过转盘的中间过孔；所述的扭簧一端固定在转盘的水平过孔，另一端固定在圆形刚性节片的水平过孔；所述的拉绳一端固定在连杆的拉绳孔、另一端穿过圆形刚性节片的拉绳孔和走线孔，固定在绞盘，连续体机构一、连续体机构二和连续体机构三中所有圆形刚性节片上的拉绳分别固定在三个绞盘。
[0010]作为本专利技术结构进一步改进，所述的驱动机构包括推杆电机、推杆电机连接件、绞盘电机和绞盘，九个推杆电机中部与电机座一固定，后端与电机座二固定，九个推杆电机连接件分别与一个推杆电机的轴固定，并置于在电机座一的导向槽中，所述的三个绞盘电机与电机座三固定，所述的三个绞盘分别与一个绞盘电机的轴固定。
[0011]作为本专利技术结构进一步改进，所述的传感器单元包括摄像头和红外测距传感器；所述的摄像头固定于基座，在圆形刚性节片上呈120度均匀分布并固定三个所述的红外测距传感器。
[0012]本专利技术提供一种仿生刚柔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人，由机体(1)、连续体机构(2)、主骨架(3)、刚度调节机构(4)、驱动机构(5)、控制处理模块(6)、传感器单元(7)、电源(8)组成，所述机体(1)用于安装、固定和支撑所述的机构、单元和模块，所述连续体机构(2)实现机器人的弯曲缠绕功能，所述主骨架(3)穿过连续体机构(2)的中心作为骨架，所述刚度调节机构(4)实现机器人的刚度调节功能，所述驱动机构(5)实现连续体机构(2)、主骨架(3)和刚度调节机构(4)的控制，所述控制处理模块(6)实现驱动机构(5)的驱动，以及传感器单元(7)的传感器数据处理保存，所述传感器单元(7)实现机器人位姿的检测，所述电源(8)为机器人的各个机构、单元和模块供电；所述的机体(1)包括电机座一(1
‑
1)、电机座二(1
‑
2)、电机座三(1
‑
3)、基座(1
‑
4)、外壳一(1
‑
5)、外壳二(1
‑
6)和外壳三(1
‑
7)组成，所述的电机座一(1
‑
1)安装在外壳一(1
‑
5)下端和外壳二(1
‑
6)上端，所述的电机座二(1
‑
2)安装在外壳二(1
‑
6)下端和外壳三(1
‑
7)上端，所述的电机座三(1
‑
3)安装在外壳三(1
‑
7)下端，所述的基座(1
‑
4)安装在外壳一(1
‑
5)上端；所述的连续体机构(2)由连续体机构一(2
‑
1)、连续体机构二(2
‑
2)、连续体机构三(2
‑
3)，由圆形刚性节片(2
‑
4)、弹性棒(2
‑
5)、压缩弹簧(2
‑
6)组成，所述的弹性棒(2
‑
5)穿过至少2个所述的圆形刚性节片(2
‑
4)上的槽孔，将至少2个圆形刚性节片(2
‑
4)串接在一起，所述的压缩弹簧(2
‑
6)套在弹性棒(2
‑
5)上，设置在每个圆形刚性节片(2
‑
4)之间，所述连续体机构一(2
‑
1)、连续体机构二(2
‑
2)、连续体机构三(2
‑
3)依次串联组成三节组合体；所述的主骨架(3)穿过连续体机构一(2
‑
1)、连续体机构二(2
‑
2)、连续体机构三(2
‑
3)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)上的中心孔，其最远端与连续体机构三(2
‑
3)最远端的圆形刚性节片(2
‑
4)固定，最近端与连续体机构一(2
‑
1)最近端的圆形刚性节片(2
‑
4)固定，并且在所有圆形刚性节片(2
‑
4)之间设置有套在主骨架(3)上的压缩弹簧(2
‑
5)。2.根据权利要求1所述的一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人，其特征在于：所述连续体机构二(2
‑
2)的近端圆形刚性节片(2
‑
4)与连续体机构一(2
‑
1)的远端圆形刚性节片(2
‑
4)相邻，所述连续体机构三(2
‑
3)的近端圆形刚性节片(2
‑
4)与所述的连续体机构二(2
‑
2)的远端圆形刚性节片(2
‑
4)相邻，并且连续体机构二(2
‑
2)相对于连续体机构一(2
‑
1)沿着轴向扭转四十度，所述连续体机构三(2
‑
3)相对于连续体机构二(2
‑
2)沿着轴向扭转四十度，所述连续体机构一(2
‑
1)的三根弹性棒(2
‑
5)其一端固定在连续体机构一(2
‑
1)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)中最远端一个圆形刚性节片(2
‑
4)上的槽孔，其另一端伸出所有圆形刚性节片(2
‑
4)中最近端一个圆形刚性节片(2
‑
4)上的槽孔，连续体机构二(2
‑
2)的三根弹性棒(2
‑
5)其一端固定在连续体机构二(2
‑
2)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)中最远端一个圆形刚性节片(2
‑
4)上的槽孔，其另一端伸出连续体机构二(2
‑
2)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)的槽孔后，又穿过连续体机构一(2
‑
1)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)，并与连续体机构一(2
‑
1)的三根弹性棒(2
‑
5)的另一端平齐，连续体机构三(2
‑
3)的三根弹性棒(2
‑
5)其一端固定在连续体机构三(2
‑
3)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)中最远端一个圆形刚性节片(2
‑
4)上的槽孔，其另一端伸出连续体机构三(2
‑
3)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)的槽孔后，又穿过连续体机构二(2
‑
2)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)，以及穿过连续体机构一(2
‑
1)的所有圆形刚性节片(2
‑
4)，并与连续体机构一(2
‑
1)的三根弹性棒(2
‑
5)的另一端平齐。3.根据权利要求1所述的一种仿生刚柔耦合可变刚度的连续体机器人，其特征在于：所
述的刚度调节机构(4)包括摩擦滑块(4
‑
4)、弹簧(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，陈浩云，初晓昱，张强，宋爱国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：