主从操控的柔性连续体机器人装置及其控制方法

摘要

主从操控的柔性连续体机器人装置及其控制方法，属于机器人技术领域。该装置包括操纵臂、机械臂和控制系统。机械臂是一种仿象鼻的柔性臂，采用螺旋传动的多个柔性杆实现弯曲，系统可以模仿操作者对操纵臂的操控动作来实现机械臂完成相同动作，从而达到对机械臂的简单直观操控。本发明装置利用操纵臂和机械臂结构相似的特点，结合传感器和控制器实现了比较直观的主从操控：通过缩小比例的操纵臂来对机械臂进行操控；有效减小操控难度，适合远程遥操作。本发明所述的主从操控的柔性连续体机器人装置能够向多个方向弯曲和伸缩，抓取、操作与避障功能独特，具有广泛的应用前景。

主权项

一种主从操控的柔性连续体机器人装置，包括机械臂；所述机械臂包括n个机械臂单元，n为自然数；每个机械臂单元包括基座(1)、3个人工肌肉组件、至少2个中间件(6)、至少一个第一弹簧(7)和一个末端件(8)；所述人工肌肉组件包括驱动器(2)、传动机构(3)和柔性螺杆组件；所述柔性螺杆组件包括主动柔性杆(51)和螺杆(52)；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入轴相连，所述传动机构的输出轴与主动柔性杆的一端相连，所述主动柔性杆的另一端与螺杆的一端相连；所述螺杆与末端件形成螺纹传动关系；所述中间件设置在基座和末端件之间，多个中间件沿主动柔性杆方向依次布置，所述中间件上有3个圆周均布的通孔，所述每个主动柔性杆分别依次穿过各中间件的通孔，相邻中间件之间至少设置一个第一弹簧，所述第一弹簧的两端分别连接两个相邻中间件；各个所述机械臂单元的基座固接在一起，从基座向外依次称机械臂单元为第1级、第2级……第n级；第2级的主动柔性杆穿过第1级的所有中间件的中心孔，第3级的主动柔性杆依次穿过第1级的所有中间件的中心孔、第2级的所有中间件的中心孔……以此类推，第n级的主动柔性杆依次穿过第1级的所有中间件的中心孔、第2级的所有中间件的中心孔……第n‑1级的所有中间件的中心孔；相邻两级机械臂单元的中间件沿其圆周方向偏转一个角度α；其特征在于：所述机械臂单元还包括3个第一挡块(81)和3个第一位移传感器(11)；在机械臂单元中，所述第一挡块活动套接在螺杆的另一端上，所述第一位移传感器安装在末端件和第一挡块之间，采集末端件与第一挡块之间的位移变化量；主从操控的柔性连续体机器人装置还包括操纵臂和控制系统；所述操纵臂包括n个操纵臂单元；每个所述操纵臂单元包括底座(12)、3个被动柔性杆(13)、3个第二挡块(17)、3个第二位移传感器(16)、至少两个中间板(14)、至少一个第二弹簧(15)和一个末端板(18)；所述被动柔性杆的一端固定连接在底座上，被动柔性杆的另一端固定连接第二挡块；所述中间件设置在底座和末端板之间，多个中间板沿被动柔性杆方向依次布置，所述中间板上有三个个圆周均布的通孔，所述每个被动柔性杆分别依次穿过各中间板的通孔，相邻中间板之间至少设置一个第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别连接两个相邻中间板；所述被动柔性杆穿过末端板，所述第二位移传感器安装在末端板和第二挡块之间，采集末端板与第二挡块之间的位移变化量；各个所述操纵臂单元串联布置，从底座向外依次称操纵臂单元为第1级、第2级……第n级，前一级的末端板与后一级的底座固接；相邻两级操纵臂单元的中间板沿其圆周方向偏转一个角度α，且α大于零、小于120度。所述控制系统包括控制模块和多个电机驱动模块；控制模块包括多个第一位移输入端、多个第二位移输入端、多个驱动输出端和复位端；控制模块的复位端连接复位信号；不同的控制模块的驱动输出端与对应的电机驱动模块的输入端分别连接，不同的电机驱动模块的输出端与对应的电机的引线分别连接；不同的第一位移传感器的信号引出端与控制模块上对应的第一位移输入端分别连接；不同的第二位移传感器的信号引出端与控制模块上对应的第二位移输入端分别连接；所述的控制模块运行控制程序，利用来自多个第一位移传感器和多个第二位移传感器的各种信号，发出指令通过电机驱动模块驱动电机转动，实现机械臂模仿操纵臂的运动功能。