本发明专利技术公开了一种刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其包括机械臂，机械臂的前端和后端分别设置有操作装置和驱动机构，机械臂由若干弯曲单元依次连接而成；弯曲单元包括若干依次连接的中间节，若干所述中间节的两端均设置有基节，基节和中间节均为空心的圆柱状结构，基节与中间节之间、相邻的两个中间节之间均通过十字铰活动连接；驱动机构包括若干驱动电机，若干驱动电机的转轴上均设置有卷筒，弯曲单元内设置有若干腱绳，若干腱绳的一端固定在弯曲单元的前端，另一端分别与若干卷筒连接。机械臂具有模块化、超冗余自适应、空间环境适应性强、末端位姿可测量、外界接触可感知等优点，可用于非合作、合作目标抱捕抓取和复杂腔体的内部勘察。部勘察。部勘察。
【技术实现步骤摘要】
一种刚柔耦合超冗余智能感知机械臂及其使用方法
[0001]本专利技术涉及机器人领域，具体涉及一种刚柔耦合超冗余智能感知机械臂及其使用方法。
技术介绍
[0002]随着空间探测技术的发展，空间探测任务越来越复杂，实施难度越来越大，这对空间机器人的功能、性能等提出了更高的要求。在轨服务任务中，空间机器人涉及抓捕、操控等多项任务，要求空间机器人对服务目标抓捕能力强、抓捕后可精细操作等。服务目标分为合作和非合作两种，目前针对合作目标的抓捕及操作实施方案较多，这些实施方案大多以刚性机械臂为主，具有抓捕响应快、连接刚度大、操作精度高等优点。针对非合作目标，刚性机械臂抓捕适应性较差，且很难伸入目标腔体内部进行检查。目前非合作目标的抓捕多以飞网等大容差装置的抓捕为主，该种方案抓捕能力强，但是抓捕后不具备操作能力，需要配置单独的操作工具进行精细操作。
[0003]因此急需一种智能感知机械臂，能够对合作和非合作目标进行自适应抓捕、感知、操控、服务目标内部检查等。
技术实现思路
[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种可实现复杂腔体内部勘察的刚柔耦合超冗余智能感知机械臂及其使用方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]提供一种刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其包括机械臂，机械臂的前端和后端分别设置有操作装置和驱动机构，机械臂包括若干依次连接的弯曲单元；弯曲单元包括若干依次连接的中间节，弯曲单元的两端设置有基节，基节和中间节均为空心的圆柱状结构，基节与中间节之间、相邻的两个中间节之间均通过十字铰活动连接，十字铰与基节之间设置有用于弯曲后自动复位第一拉伸弹簧，中间节内设置有用于弯曲后自动复位第二拉伸弹簧，且第二拉伸弹簧连接中间节两端的十字铰；驱动机构包括若干驱动电机，若干驱动电机的转轴上均设置有卷筒，弯曲单元内设置有若干腱绳，腱绳的一端固定在弯曲单元前端的基节上，腱绳的另一端分别与若干卷筒连接。
[0007]进一步地，十字铰包括便于机械臂内部走线的固定环，固定环的外圆周上设置有四根向外延伸的固定杆，且四根固定杆呈十字排布，四根固定杆的前端均设置有沿固定杆轴向自由旋转的旋转头，基节与中间节的连接端、中间节的两端均对称设置有沿弯曲单元延伸方向凸出的两个连接耳，基节上的两个连接耳与中间节一端的两个连接耳成十字交错排布，相邻两个中间节之间的四个连接耳成十字交错排布；且基节与中间节之间、相邻两个中间节之间的四个连接耳均与固定环上四根固定杆前端的旋转头连接，第一拉伸弹簧设置在基节与固定杆之间，第二拉伸弹簧设置在相邻的两个十字铰上的固定杆之间。
[0008]进一步地，基节与两根相对的固定杆之间分别设置有两根第一拉伸弹簧，且两根
第一拉伸弹簧与基节上的两个连接耳在周向上呈十字交错排布，相邻的两个十字铰上的两根相对的固定杆之间设置有两根第二拉伸弹簧，且两根第二拉伸弹簧与相邻的两个十字铰之间中间节的连接耳在周向上呈十字交错排布，第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧的伸缩方向均与弯曲单元的延伸方向平行。
[0009]进一步地，第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧均通过松紧调节杆与固定杆连接，松紧调节杆上设置有丝杆，固定杆上设置有螺纹孔，丝杆与螺纹孔螺纹配合，松紧调节杆的端部设置有用于挂设第一拉伸弹簧和第二拉伸弹簧的挂孔。
[0010]进一步地，弯曲单元内的若干腱绳包括至少三根平行的腱绳，且三根腱绳均匀布置在弯曲单元内壁的延伸方向上，基节和中间节的内壁上均设置有限位通道，若干腱绳活动设置在限位通道内。
[0011]进一步地，弯曲单元前端的基节内设置有陀螺仪，基节和中间节外侧壁上均包裹有柔性压力传感器。
[0012]进一步地，基节与中间节之间和相邻两个中间节之间的连接处均设置有柔性伸缩管。
[0013]进一步地，机械臂的前端设置有摄像头。
[0014]提供一种刚柔耦合超冗余智能感知机械的使用方法，其包括以下步骤：
[0015]S1：机械臂对非合作目标进行抱捕时，执行S2步骤；机械臂对复杂腔体内部进行探测时，执行S7；
[0016]S2：将机械臂以伸直的状态贴近抱捕对象，使抱捕对象处于机械臂两端的操作装置和驱动机构之间的空间范围内；
[0017]S3：控制驱动机构内部的驱动电机通过卷筒对腱绳进行卷拉，使各个弯曲单元进行等曲率的弯曲，使整个机械臂对抱捕对象形成抱捕的弯曲构型；
[0018]S4：柔性压力传感器实时监测机械臂与抱捕对象的接触位置和接触力，直至机械臂上的所有弯曲单元均与抱捕对象接触时，机械臂对抱捕对象形成封闭抱捕。
[0019]S5：柔性压力传感器测量的各个位置接触力，对抱捕的牢固程度进行评估；
[0020]S6：陀螺仪监测各个弯曲单元的弯曲程度，驱动电机调节各个弯曲单元的腱绳的拉伸长度，使各个弯曲单元对抱捕对象的抱捕力相同，形成抱捕对象在抱捕方向的外包络形状。
[0021]S7：将机械臂最前端的弯曲单元伸直；剩余弯曲单元通过驱动电机对腱绳进行收卷，形成弯曲构型；
[0022]S8：将机械臂的前端伸入腔体，机械臂其他部分的弯曲单元通过驱动电机控制腱绳的拉伸，逐步实现机械臂伸展，推动机械臂最前端的弯曲单元向腔体内部移动；
[0023]S9：柔性压力传感器实时监测各个弯曲单元与腔体的接触位置和接触力；
[0024]S10：通过驱动电机控制各个弯曲单元的腱绳的拉伸长度，调节每个弯曲单元的弯曲构型，降低各个弯曲单元与腔体的接触力；
[0025]S11：利用机械臂最前端的摄像头对腔体内部结构进行探测。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027]1.本方案的刚柔耦合超冗余智能感知机械臂采用模块化设计，每个弯曲单元为一个模块，多个弯曲单元首尾连接可组成不同长度的机械臂，且弯曲单元越多，机械臂可产生
的弯曲构型越多，机械臂的最前端越灵活；每个弯曲单元由若干腱绳驱动，弯曲单元的基节和中间节均通过十字铰连接，使弯曲单元可自适应的包络形状；柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能准确测量外界接触力的分布信息，陀螺仪可对各弯曲单元顶部的位姿变化进行测量，使机械臂具有模块化、超冗余自适应、空间环境适应性强、末端位姿可测量、外界接触可感知等优点，可用于非合作、合作目标抱捕抓取和复杂腔体的内部勘察。
[0028]2.通过驱动电机对腱绳进行拉动和释放，使弯曲单元实现弯曲，同时采用腱绳进行驱动的方式，与采用功能材料、气动方式等的柔性机械臂相比，具有更好的空间环境适应性。
[0029]3.机械臂采用若干基节、中间节、十字铰的方式形成弯曲冗余，再通过各节之间设计的拉伸弹簧消除冗余，并形成欠驱动，使得机械臂具有对非合作目标的自适应抱捕能力。
[0030]4.当基节通过腱绳的拉动而在十字铰上发生弯曲时，第一拉伸弹簧发生拉压变形，并产生一个使基节自动复位的弹力，使得驱动电机在停止驱动后，腱绳上的驱动力取消，基节可通过第一拉伸弹簧的弹力实现自动复本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其特征在于，包括机械臂(1)，所述机械臂(1)的前端和后端分别设置有操作装置(2)和驱动机构(3)，所述机械臂(1)包括若干依次连接的弯曲单元(4)；所述弯曲单元(4)包括若干依次连接的中间节(5)，所述弯曲单元(4)的两端设置有基节(6)，所述基节(6)和中间节(5)均为空心的圆柱状结构，所述基节(6)与中间节(5)之间、相邻的两个中间节(5)之间均通过十字铰(7)活动连接，所述十字铰(7)与基节(6)之间设置有用于弯曲后自动复位第一拉伸弹簧(8)，所述中间节(5)内设置有用于弯曲后自动复位第二拉伸弹簧(9)，且第二拉伸弹簧(9)连接中间节(5)两端的十字铰(7)；所述驱动机构(3)包括若干驱动电机(10)，若干所述驱动电机(10)的转轴上均设置有卷筒(11)，所述弯曲单元(4)内设置有若干腱绳(12)，所述腱绳(12)的一端固定在弯曲单元(4)前端顶部的基节(6)上，所述腱绳(12)的另一端分别与若干卷筒(11)连接。2.根据权利要求1所述的刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其特征在于，所述十字铰(7)包括便于机械臂(1)内部走线的固定环(13)，所述固定环(13)的外圆周上设置有四根向外延伸的固定杆(14)，且四根固定杆(14)呈十字排布，四根所述固定杆(14)的前端均设置有沿固定杆(14)轴向自由旋转的旋转头(15)，所述基节(6)与中间节(5)的连接端、中间节(5)的两端均对称设置有沿弯曲单元(4)延伸方向凸出的两个连接耳(16)，所述基节(6)上的两个连接耳(16)与中间节(5)一端的两个连接耳(16)成十字交错排布，相邻两个所述中间节(5)之间的四个连接耳(16)成十字交错排布；且基节(6)与中间节(5)之间、相邻两个中间节(5)之间的四个连接耳(16)均与固定环(13)上四根固定杆(14)前端的旋转头(15)连接，所述第一拉伸弹簧(8)设置在基节(6)与固定杆(14)之间，所述第二拉伸弹簧(9)设置在相邻的两个十字铰(7)上的固定杆(14)之间。3.根据权利要求2所述的刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其特征在于，所述基节(6)与两根相对的固定杆(14)之间分别设置有两根第一拉伸弹簧(8)，且两根所述第一拉伸弹簧(8)与基节(6)上的两个连接耳(16)在周向上呈十字交错排布，相邻的两个所述十字铰(7)上的两根相对的固定杆(14)之间设置有两根第二拉伸弹簧(9)，且两根所述第二拉伸弹簧(9)与相邻的两个十字铰(7)之间中间节(5)的连接耳(16)在周向上呈十字交错排布，所述第一拉伸弹簧(8)和第二拉伸弹簧(9)的伸缩方向均与弯曲单元(4)的延伸方向平行。4.根据权利要求2所述的刚柔耦合超冗余智能感知机械臂，其特征在于，所述第一拉伸弹簧(8)和第二拉伸弹簧(9)均通过松紧调节杆(17)与固定杆(14)连接，所述松紧调节杆(17)上设置有丝杆，所述固定杆(14)上设置有螺纹孔，所述丝杆与螺纹孔螺纹配合，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵志军，周青华，王耀兵，王丽华，杨强，蒋明，袁媛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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