CN101237964A - 包含多个铰接元件的机械臂以及用于确定机械臂形状的装置 - Google Patents

Abstract

一种机械臂，其包括多个铰接元件(12)，和用于控制多个元件(12a，12b，12c)的位置的控制装置(6)，由此机械臂可以用蛇形来进行尖顶从动运动。装置(2)用于直接测量元件中至少部分元件的相对位置，所述装置计算与理论外形的偏差，并且修正机械臂控制装置。

Description

包含多个铰接元件的机械臂以及用于确定机械臂形状的装置

技术领域

本发明涉及一种机械臂，特别是涉及具有“尖顶从动”功能的机械臂。

背景技术

在机器人领域，具有尖顶从动功能的机械臂是发展的方向；也就是说，机械臂以类似蛇形的方式纵向前进。这种机械臂能够承载工作负荷和工具，而且可用于对具有有限通道的设备，例如喷气发动机的内部零件，进行检查。

尖顶从动装置通常在医疗领域以内窥镜的的形式和在工业领域某种程度上以内孔表面检查仪的形式广泛应用。然而，这些装置依赖于外部环境来控制工作台或者传感装置在一个合适的部位执行给定的任务。内窥镜通常由本体内的孔来引导，虽然在内窥镜末端可以执行一定的控制，但事实上内窥镜的主要部分本质上是被动的，其中仅有的引导由装置移动在其中的本体中的孔或者管来提供。

用于机械臂的尖顶从动技术的主要优点在我们同时待审的专利申请No.WO0216995中进行描述。该申请描述和保护一种机械臂，该臂由多个纵向链段组成，每一链段包含多个被动连接元件。每一链段的末端由导线“引导”，这样通过改变导线的长度，可以使臂弯曲。在典型的机械臂中，可以具有许多链段，比方说4到20个，每个链段比方可以包含10到20个连接元件。通过调整每一链段的控制线的张力，臂可以移动和采取多种空间外形和结构。例如可以通过在发动机中使用的轴上缠绕每一根控制线来实现。发动机例如由电脑控制***控制。

臂固定在底座上且向目标推进，同时外形不断改变以“跟随”着尖端。

用这种机械臂，连接元件的关节处于压紧状态下，即在每一控制线上提供张力，“绷紧”每一关节。这样使臂具有空间确定性，可以更好的控制臂的空间位置。这样，就可以控制一个链段里的一组连接元件，而不是单独的控制每一个元件，利用这种连接元件的刚度设计来传递负荷，使得任何运动和/或负荷变化或者力矩的改变在链段的连接元件中传递。我们同时待审的申请WO02/100608也涉及一种机械臂，其中通过***一层橡胶或者人造橡胶粘接或者锁紧两个形成链段间相邻连接元件间的关节的部件，橡胶层在链接部件间形成固定的接触表面，同时提供弹性剪切力产生连接的“刚度”。

为了提供一种能够沿着空间内预定路径且其与预定路径偏离或者改变很小的尖顶从动的机械臂，有必要了解臂的大量组件或者元件相对的精确位置和结构。在“理想”的没有摩擦的链段中，当外部作用力，如负荷、重力、摩擦等不存在时，每一链段将保持沿其长度方向恒定半径的圆弧形。此外，对导线绕筒或绞盘的角位移的测量将提供精确的测量以控制导线长度。

然而实际上，外部因素对每一铰链都有影响，其会改变外形，使得臂不再是一个圆的正圆弧。而且臂负荷变化时导线可能在绕筒上滑动。这使控制臂沿一预定路径更加困难，因为改变臂的姿态将改变臂的负荷、重量/摩擦力的分布，因此改变臂本身的形状，引起至少部分的偏离预定路径。虽然在某些情况下可以接受与预定路径有一些偏离，但是其它偏离情况是一定不能接受的。

发明内容

本发明的目的就为了缓解这些问题。

根据本发明，提供了一种机械臂，其包含至少一个链段，所述链段具有多个铰接元件；一控制装置，通过作用一个链段或每个链段的控制元件来控制机械臂的位置；和一测量装置，所述测量装置与控制装置相关联，用来测量臂中一个或每个链段中的至少一个连接元件与至少另一个连接元件的相对位置，用以以确定臂的实际形状。

因而测量装置提供与实际臂外形有关的信息，使得臂的控制能够被调节来补偿臂外形由于外界因素导致的与预定外形产生的差异。例如，臂可以包括与控制装置和测量装置相关联的运算装置，用来计算臂实际外形与预定外形差异，其将修正值提供给控制装置。

优选地，测量装置测量每对相邻元件，或者至少一个或每个链段末端的每对元件间的相对位置。这样就可以得到臂实际外形的精确图像，使任何要求的补偿运动能够计算出来。

例如，可以通过观察和测量臂上的外部记号的位置来测得相对位置。在另一个例子中，测量装置被用来测量元件或连接元件之间的横向平面的角度关系。

为了全面描述两本体间的空间关系，需要六个独立的描述符。最简单的形式记为X，Y，Z(平移)，α，β，γ(方向)。平移和方向通常用来确定“姿态”。而在依照本发明的一个更精确的臂中，测量装置可以测量元件的相对位置。

例如，测量装置可以包含产生一组由所述一个元件承载的能量束的装置，和由其它元件承载的能量阵列传感装置，其适于检测能量束。优选地，所述能量阵列具有大于能量束的尺寸范围，使得所述一元件相对于另一元件的移动导致能量束相对阵列的移动，因此可以显示出元件中的一个相对另一个的位置。

多个能量束和阵列对可以被设置在元件上的不同位置上，用来计算一个元件相对于另一个元件的空间位置。尽管理论上三组足以提供六个信息，但是发现在一个平面上使用四个这样的组更好。所述能量束和阵列组每个都提供了两个测量数据。这八个测量数据然后运用运算法则可以导出六个独立的描述符，由此完成外形信息。能量束可以是任何适当的能量束，特别是典型地电磁能量，例如，由发光二极管产生的光。这种传感装置可以为检测象素的拉长阵列，其沿着能量束移动的预期路径延伸。

能量束的性质和结构可由穿过狭缝投射的光来控制。通过控制光产生装置与狭缝的距离，能量束的形状和性质可以被控制在清晰的界限量内。当考虑阵列潜在运动方向时，能量束产生时在两边都具有半影。半影最好能够覆盖至少六个阵列像素，使得光的修整可以被检测到，就接收器象素阵列来说能清晰地显示出能量束运动的位置和方向。这样，能量源可以产生具有唯一强度的光或能量的屏。

或者，这种测量装置也可以直接测量相邻元件在不同位置间的距离。如果在至少三个位置上测量，所述元件的横向平面的相对位置可以确定。例如，测量装置可以包括三个线性电位仪，它们固定在元件的***或邻近***之间。电位仪占据很小的空间并且可以被快速取样。

这种测量装置适用于仅能在元件间以较少的自由度(少于完整的六个自由度)相对运动的各种机械臂和尖顶从动装置。这样只需要较少的测量就能完全确定一元件相对另一元件的空间姿态。例如，如果忽略或者有效消除扭曲位移和剪切，那么元件之间就很少有或者没有扭曲或者剪切运动。

另一种测量元件的横向平面倾斜的方法是在元件上固定加速计。优选地使用三个加速计，一个用于所述元件旋转的一个轴线。

通过在每一链段上至少一个或者优选在全部元件上设置测量装置，可以对元件中的每一个相对臂数据的相对位置进行连续监测。上部的重量是最小的，由每一个测量装置传递的信号可以传到与用于臂的控制装置相连的计算机上，由此可调节导线的张力从而修正元件或元件组与预定路径、外形、结构的偏差。这样能更好地在路径上控制臂的下述特性，也能精确调节一些或者全部的链段的控制线上的张力，此时考虑到了负载、位置或者由臂末端的工作台产生的工作压力的变化的影响。

控制装置包含控制线，每个控制线绕在一个与臂的近端相邻的定直径或者变直径的主轴或者绞盘上。每一个链段的端部的位置由每个主轴上的电动机带动线绕上或绕出来控制。在这种布置中，线被卷绕的张力会变化，这样，电动机上的编码器不再能够准确的测量导线的长度。因此，测量装置可包括线位移测量装置，以精确测量出各个线的长度和由线控制的元件的位置。

线位移测量装置例如可包含一个测量滚轮，在它周围导线成一定角度穿过，或者优选地在每一根导线两边设置一对夹送滚轮，用一个传感器来检测至少一个滚轮的角位移。夹送滚轮的接触压力应足够大以确保线的位移导致相应的测量滚轮的角位移。导线的实际位移的直接测量可用来纠正主轴电动机编码器的位置确定。

然而，假设导线的张力是一常数，或者至少是导线位移的函数，这样张力就可以计算了。由于导线有弹性，导线的张力将影响导线的长度。因此一种更精确的导线位移测量装置包括两对夹送滚轮。从所述滚轮获得两个角位移测量值可用来计算导线的位移和张力，这样就能更准确的确定线的长度。

另一个例子中，线位移测量装置包括光学或磁性传感器。例如，每一控制线可以在光学传感器附近沿导线间隔设置多个标记，这样标记的移动进而到所述控制线的移动能很容易被光学传感器检测到。标记可单纯地位于所述线的外表面，或者导线束中一根可以与其他颜色不同，这种对照是非常明显的以允许检测到导线束通道，进而测定线本身位移。

磁性传感装置包含一个或者多个霍尔效应传感器，而磁性装置在在邻近传感器的范围中沿着控制导线以一定间隔设有多个标记。这些磁性标记包括以规律的间隔嵌在控制导线内多个磁铁。或者，磁性标记可以通过磁化线组件中的主线来获得，或者将主线与其他形式的磁条置换来获得，这样霍尔效应传感器可以用于确定控制线相对传感器的渐增的位移。

如上所述，为了准确测量导线的位移，必须用这种光学和磁性装置来测量控制线的位移和伸长，但是对于测量导线，一个位移量就足够了。

光学、磁性和加速器传感装置的优点之一就是这样的装置没有施加任何物理作用力或者影响在线上。

测量控制线位移的另一种方法，可以沿臂方向提供另外的测量线，使其与控制线分开。这些线的位移可以如上述那样被测得。优点在于线上没有负荷，线的张力不会改变。然而这样需要更大的空间和更复杂的结构，这更适合于大型的机械臂。

附图说明

为了使发明更容易理解，通过举例的方法，用附图作为参考，其中：

图1是根据本发明的机械臂的示意图；

图2是图1沿II-II的横截面，示出了控制线的布置；

图3是根据本发明的机械臂的一特定实施例的部分剖示的立体图；

图4是图3的机械臂一部分的分解图；

图5是图4沿V-V的剖面图；

图6是发明的机械臂末端一链段部分的立体图；

图7是根据本发明的机械臂的透视图；

图8是根据本发明一个实施例的臂链段的示意图；

图9是机械臂的受力图；

图10是根据本发明另一实施例的机械臂的立体图；

图11是根据本发明又一实施例机械臂的的立体图；

图12是图11所示的臂的局部放大图；

图13、14和15为用于根据本发明的臂上的不同测量装置的示图；

图16为图10所示臂的测量装置的示图；

图17所示为从图16所示的测量装置中获得的数据的一系列的曲线图。

具体实施方式

参照图1，机械臂10包含处于以铰接关节14连接的连接元件12的形式的多个元件。臂在邻近端安装在底座16上。多根控制线18从控制器6中延伸出穿过底座16并穿过每个连接元件12***中的孔38。控制线18分成三组如图2所示沿圆周间隔开，每一组通过粘接在连接元件上而沿着臂端接在特定的连接元件12a，12b，12c上。在一组线端接处，这些连接元件是控制连接元件，且确定了链段20的末端。由控制器控制的这一组控制线18的移动来控制特定控制连接元件12a，12b，12c的位置，进而控制相应链段20的位置。

如上所述，测量装置2例如从每一链段的控制连接元件收集位置数据。运算装置4用来处理这些位置数据并且用来将臂的实际测量位置和理论或预定位置作比较。任何差异使得需要计算所需的补偿移动，而这些差异被传送给控制器6，然后转换成控制元件12a，12b，12c的移动。

参照图3和图4，每一个连接元件12包含一对外部轮盘22，而每一关节包含一对内部轮盘24。内部轮盘24被加工成具有弓形凸起的外表面26，外部轮盘每一个都有与弓形凸起相匹配的内表面28。这些对应的表面26、28通过薄橡胶层或者人造橡胶层30连接在一起，而薄橡胶层或者人造橡胶层可粘在每个表面上。内轮盘和外轮盘22、24每一个都带有中心孔，该中心孔形成了沿着臂中心通过的导管32，用于容纳供电、信息总线或用于安装在臂末端的工作台的控制装置。

参照图5，每个外部轮盘22和每个内部轮盘24都各自包括多个间隔的销钉孔34，36。因此当一外部轮盘22和一内部轮盘24的组件随着位于孔34、36中的销钉而相互相邻放置时，臂组件就可以在控制线的张力作用下保持在一起。每一外部轮盘包括多个导管38来容纳控制线18。

在每一链段的末端，控制线中的三根18a，18b，18c端接，并且固定在扩大的凹槽40中，所述凹槽位于限定链端末端的连接元件的外部轮盘22的一个中(如图6所示)。几个这样的链段首尾相连形成有一定长度的臂，而其它几组组控制线通过导管38到另一链段。控制线18朝向底座方向张紧使连接元件保持在将连接元件组件保持在一起的压缩载荷下。

参照图7，导线18穿过底座并且每个都被绕在各自的绞盘42上。每个绞盘42的旋转运动利用计算机控制***(图中未示出)来控制臂的位置。

图8示出了控制原理。控制线的运动决定了在一个链段远端的连接元件的横板44的位置。在近端连接元件46和远端连接元件44之间的“被动”连接元件45使臂在链段上形成精确外形。在理想的链段中，应该是圆的一段精确弧形。然而，实际上重力和负荷使所述臂偏离圆弧形，如图9所示。

图10显示了一种用来测量相邻连接元件的相对位置的装置，以确定这种影响的程度。图10所示的组件包括安装板48，其置于每对的内部轮盘24之间，每对内部轮盘24在其邻近***处支持着发光二极管50。在该组件中，外部轮盘54，56形状设置成在其***具有间隙57。来自发光二极管50的光被引导穿过每对外部轮盘54之一的***上设置的狭槽52。这对中另一个外部轮盘56包含位于轮般周缘内表面的光传感器的阵列58，与狭槽52对齐。阵列58设置成外部轮盘56相切，这样，在当一连接元件相对另一个做相对移动时，来自发光二极管穿过狭槽52的光扫射过阵列58。如果围绕连接元件组件圆周地间隔布置四个这样的装置，就可以确定相邻外部轮盘的姿态和臂的准确外形。

参见图16，更详细地示出了所述装置。发光二极管50的光源安装邻近狭槽52的散光罩51后面。狭槽52沿离开光源50的方向扩大。曲线53表示了位于在任何一边带有半影65的传感器阵列58的平面上的位置对获得的光束强度的关系。如图17所示，这一设置使得半影55遮盖住阵列58的至少2又1/2的象素59。像素值的柱状图61可以用来产生“最佳拟和”线63，这样可以推断出半影55的边界。因此半影的中间值可以确定比象素59的宽度要更精确。因此可以从光束阵列集中得出两段信息。

图11示出了另一种确定相邻外部轮盘相对位置的方法。在这个例子中在连接元件之间设置电位计。一个电位计本体69在相邻的连接元件的外部轮盘62，64之间延伸，在每一连接元件的一对轮盘60、62之间，预紧弹簧70保持垫片70抵靠在光滑反作用平面68上。垫片70被安装在位于电位计轴69末端的球形支座73上，使垫片可以旋转。连接元件的相对移动导致电位计中产生可测量的线性移动。因此，每一个电位计的读数就是安装点相邻连接元件的距离。

可见，沿连接元件的圆周间隔分布三个这样的电位计能够提供足够的信息来确定相邻连接元件横向平面的相对角位置(也就是到下一个连接元件平面的距离和该平面的方位)。这样，实际臂的形状可以在这样的装置中被确定，该装置中连接元件之间没有扭转和切向运动或者扭转和切向运动很小。

这种装置有一个优点，就是电位计可被密封，使得控制线可以被润滑而不被缠绕。电位计需要的空间也很小，而且比如图10所示的光学传感器更快的被取样。

另一种测量臂实际形状的方法是将测量线同控制线一样穿过连接元件***，然后测量这些线的长度。这样的测量线从底座延伸出，可以端接一个位置需被测量的连接元件，或者可以在连接元件处绕回，然后返回底座。所述测量导线如图13所示绕在卷筒74上。线76穿过一对夹送滚轮78。夹送滚轮其中一个的角位移的测量为测量导线的长度提供准确数据。这样，至连接元件的距离可以精确测量，如果围绕绕连接元件的圆周间隔使用三根这样的测量线76，连接元件横向平面的角度也可以被确定。

确定测量线76长度的另一个方法是通过在测量线上设置光学标记80，并将光学传感器82置于邻近测量线76的位置，如图14所示。然而另一个测量测量线76长度的方法是在其内部嵌入磁体84。霍尔效应传感器86安装在测量线的附近，用来测量导线的位移。

控制线绕在绞盘上，每一绞盘通常具有一电动机和一个用于控制的编码器。然而，可以理解，绞盘的角位移通常不能准确表示线绕出或者绕进绞盘的量。这是由于导线的弹性和与卷筒等接触时的摩擦。因此，上述导线测量技术也可以被用来测量与每个绞盘相邻的线的位移。这样给出了每一控制线长度的更精确的测量，进而又能精确测定出臂的外形。因此有可能用这些导线测量技术得出的信息来调整对绞盘的控制。

Claims (20)

1、一种机械臂，包括：具有多个铰接元件的至少一个链段；通过作用于所述一个链段或每个链段上的控制元件来控制所述臂位置的控制装置；以及，测量装置，其与控制装置相联，设置用来测量所述臂中所述一个链段或每个链段中的至少一个元件与所述臂中至少另一个元件的相对位置，用来确定所述臂的实际形状。

2、如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，包括运算装置，其与控制装置和测量装置相联结，用于计算所述臂实际外形与预定外形间的差异，以及对应所述差异来修正控制装置的装置。

3、如权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，测量装置被用来测量每对相邻元件或者所述一个链段或每个链段的末端上的元件的相对位置。

4、如权利要求1、2或3所述的机械臂，其特征在于，测量装置被用来测量元件的横向平面之间的相互角度关系。

5、如权利要求1、2、3或4所述的机械臂，其特征在于，测量装置被用来测量所述元件的相对姿态。

6、如前面任一权利要求所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括一用于产生能量束的发生装置，其由一元件支承，和一能量传感装置阵列，其由另一元件支承并用来检测能量束。

7、如权利要求6所述的机械臂，其特征在于，能量束是电磁能，优选为光，并且所述传感装置包括传感器的延伸阵列，这些传感器沿着所述束预定移动路径延伸。

8、如权利要求6或7所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括多个所述发生装置、传感装置的间隔姿态。

9、如权利要求1、2、3或4所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括用来测量在多个间隔位置上相邻元件间的距离的装置。

10、如权利要求9所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括多个安装在位于***上或邻近***处的所述元件之间的线性电位计。

11、如前面任一权利要求所述的机械臂，其特征在于，控制装置包括至少一组控制线，其与相应的控制元件相联，每一控制线具有致动装置，用来改变所述线的长度。

12、如权利要求11所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括设置用以用来直接测量每一控制线长度的线位移测量装置。

13、如前面任一权利要求所述的机械臂，其特征在于，测量装置包括线位移测量装置，所述线位移测量装置被用来测量一组测量线的位移，所述测量线与其位置被测量的所述一个或每个元件相联。

14、如权利要求12或13所述的机械臂，其特征在于，线位移测量装置包括：一对夹送滚轮，所述夹送滚轮对中的一个被设置在每一导线的任一端；以及一传感器，设置用来检测所述滚轮中至少一个的角位移。

15、如权利要求12或13所述的机械臂，其特征在于，线位移测量装置包括一装置用于检测所述线的至少一个标记的装置。

16、如权利要求13所述的机械臂，其特征在于，线位移测量装置包括光学或磁性传感器。

17、一种操作机械臂的方法，所述臂包括至少一个链段，所述链段具有多个铰接元件，所述方法包括：

用控制装置来控制所述一个或每个链段中控制元件的位置；

用测量装置测量所述臂上所述一个链或每个链段上至少一个元件相对于至少另一个元件的相对位置；

计算由测量装置测量的相对位置和预定位置之间的差异；

修正控制装置来补偿所述差异。

18、一种机械臂设备，其包括：多个纵向链段，其沿着所述臂连续排列，每一链段都可以相对于其他链段移动，确定一个蛇形路径或形状，其中，每一个链段包括多个连接元件，每一连接元件相对于相邻的连接元件可以在至少二个维度上相对运动，并且进一步包括用来检测所述臂外形由于外界因素的影响相对理论外形变化的装置，和校正装置，其与用于所述臂的控制装置相联用于运算至少部分修正传递给控制装置以补偿所述臂外形由于外界因素导致的变化。

19、一种用于确定两元件间相对位置的设备，所述两个元件的每一个能够相对另一个移动，其中所述设备包括用于产生能量束的装置，其由第一元件支承；一能量传感装置阵列，其由第二元件支承用于检测所述的能量束，其特征在于，所述阵列具有的维度范围大于所述能量束的维度范围，使得第一元件相对第二元件的运动导致能量束的运动，由此表明了所述相对运动的程度，或者使得能量束相对于阵列的位置表示所述元件中的一个相对另一个的位置。

20、具有一个或者多个链段的机械臂，其中每一链段由线控制，其特征在于，每一线的张紧和/或移动受带发条的铰盘影响，这样每一线移动的控制由传感装置确定，所述传感装置用于直接地且独立于铰盘运动地检测每一导线的线性移动。

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