CN109955286A - 绳驱柔性机器人实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳驱柔性机器人实验平台，属于机器人技术领域。本发明的绳驱柔性机器人实验平台包括柔性臂模块，柔性臂模块包括第一臂段、第二臂段、第三臂段以及穿过第一臂段、第二臂段与第三臂段的驱动绳索，第一臂段与第二臂段之间、第二臂段与第三臂段之间通过关节连接；驱动模块，驱动模块包括驱动件、丝杆、丝杆螺母，驱动件能驱动丝杆转动，丝杆螺母与丝杆连接，丝杆的转动能够带动丝杆螺母沿丝杆的轴线方向移动，驱动绳索的一端与丝杆螺母连接；角度测量单元，角度测量单元与关节连接；拉力测量单元，拉力测量单元与驱动绳索连接。本发明的绳驱柔性机器人实验平台能够模拟机器人的实际工况，测量机器人的运动参数。

Description

绳驱柔性机器人实验平台

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种绳驱柔性机器人实验平台。

背景技术

当前，大量高效率机器人已经在电气、化工、机械等制造业领域取得较为广阔的应用，但是绳索驱动柔性机器人由于绳索的弹性变形和诸多摩擦力影响等原因，其精度一直不高，影响其使用的范围和使用效果。

绳索驱动柔性机器人的精度难以提高的一个主要因素在于：实际模型与理论模型之间具有一定的误差。如绳索在穿过圆孔时，为了让其运动的误差达到最小，圆孔的尺寸应当尽可能的小，然而，考虑到摩擦力的因素，其圆孔直径也必定会比绳索直径大，造成实际穿过圆孔时，绳索将会贴近圆孔的一侧，影响绳索的空间位置，进一步地影响其实际的长度；又如在关节处两个圆盘之间，绳索在过孔处发生方向改变时，往往需要有一个圆弧的过渡段，再到直线段，绳索的长度按直线段进行计算时，必定会产生误差。

为了提高绳驱柔性机器人的精度，需要研究绳索柔性机器人的实际运动与理论模型之间的区别，因此，有必要建立一种绳驱柔性机器人实验平台。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例提供一种绳驱柔性机器人实验平台，能够模拟绳驱柔性机器人实际工作中关节转角与受力的变化，可以利用测试的数据与理论模型的数据进行对比，对绳驱柔性机器人的实际参数设计进行修正。

本发明实施例解决上述技术问题所采取的技术方案为：提供一种绳驱柔性机器人实验平台，包括柔性臂模块，所述柔性臂模块包括第一臂段、第二臂段、第三臂段以及穿过所述第一臂段、所述第二臂段与所述第三臂段的驱动绳索，所述第一臂段与所述第二臂段之间、所述第二臂段与所述第三臂段之间通过关节连接；驱动模块，所述驱动模块包括驱动件、丝杆、丝杆螺母，所述驱动件能驱动所述丝杆转动，所述丝杆螺母与所述丝杆连接，所述丝杆的转动能够带动所述丝杆螺母沿所述丝杆的轴线方向移动，所述驱动绳索的一端与所述丝杆螺母连接；角度测量单元，所述角度测量单元与所述关节连接，用于检测所述关节的转动角度；拉力测量单元，所述拉力测量单元与所述驱动绳索连接，用于检测所述驱动绳索的拉力值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动绳索包括三处，三处所述驱动绳索均匀排布于所述第一臂段、所述第二臂段、所述第三臂段的周向方向上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动绳索位于所述驱动模块的部分连接有所述拉力测量单元。

作为上述技术方案的进一步改进，至少一个所述驱动绳索，其位于所述第一臂段的部分、位于所述第二臂段的部分、位于所述第三臂段的部分以及位于所述驱动模块的部分均设置有所述拉力测量单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述力测量单元包括力传感器以及位于所述力传感器两端的螺帽，所述螺帽的端部开孔设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述丝杆螺母连接有牵引块，所述驱动绳索沿其轴线方向向所述驱动模块延伸并固定于所述牵引块上。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括与所述丝杆平行的滑轨，所述滑轨上设有能够沿所述滑轨滑动的滑块，所述牵引块固定安装于所述滑块上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二臂段的两端分别设有一对供所述驱动绳索穿过的滑轮装配体；所述滑轮装配体包括安装轴、安装于所述安装轴上的滑轮以及位于所述滑轮两端的轴承；所述第二臂段的端部设有一对安装轴孔，一对所述滑轮装配体的所述安装轴分别安装于一对所述安装轴孔上。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括一对短联动绳以及一对长联动绳，一对所述短联动绳对称布置于所述第二臂段的两侧，所述短联动绳的两端分别与所述第二臂段两端的所述关节连接，一对所述长联动绳对称布置于所述第二臂段的两侧，所述长联动绳的两端分别固定安装在所述第一臂段、所述第三臂段的端部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述短联动绳与所述长联动绳上设有所述拉力测量单元。

本发明的有益效果：

本发明的绳驱柔性机器人实验平台，通过驱动模块驱动柔性臂模块的运动，能够模拟出柔性臂模块的实际运动，通过角度测量单元检测关节处的转角，利用拉力测量单元测量驱动绳索的拉力值，从而测试到柔性臂模块模拟实际运动运动时的运动参数，可以利用得到的参数与理论模型的数据进行比对，进而对绳驱柔性机器人的实际参数设计进行修正。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一个实施例的绳驱柔性机器人实验平台的整体结构示意图；

图2为本发明一个实施例的绳驱柔性机器人实验平台的驱动模块的结构示意图；

图3为图2中驱动模块的结构示意图；

图4为本发明柔性臂模块一个实施例的结构示意图；

图5本发明力测量单元一个实施例的结构示意图；

图6为本发明关节一个实施例的结构示意图；

图7为本发明柔性臂模块的第二臂段的端部一个实施例的结构示意图；

图8为本发明柔性臂模块的第二臂段的端部另一个实施例的结构示意图；

图9为滑轮装配体一个实施例的结构示意图；

图10为本发明柔性臂模块另一个实施例的结构示意图；

图11为本发明一个实施例中长联动绳与短联动绳的连接原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

本发明旨在提供一种绳驱柔性机器人实验平台，通过该实验平台可以检测绳驱柔性机器人的关节处的转角的数据、驱动绳索的拉力的数据，可以利用这些数据与理论的绳驱柔性机器人的数据进行比较，进而对实际的绳驱柔性机器人的运动参数设计进行修正，以提高绳驱柔性机器人的精度。

为此，参照图1与图2，本发明的绳驱柔性机器人实验平台包括驱动模块1、柔性臂模块2，驱动模块1用于提供动力，柔性臂模块2模拟实际的绳驱柔性机器人的关节段，在驱动模块1的驱动下产生运动。

参照图3，驱动模块1包括驱动电机10、丝杆11、丝杆螺母12，丝杆11与驱动电机10连接，在驱动电机10的带动下产生转动，丝杆螺母12与丝杆11螺纹连接，在丝杆11转动时，丝杆螺母12能够产生沿丝杆11轴线方向上的移动，柔性臂模块2的驱动绳索伸入到驱动模块1中(如图1)，并与丝杆螺母12连接，进而丝杆螺母12的移动会带动驱动绳索一同移动。其中，驱动电机10优选为伺服电机，通过伺服电机驱动器100驱动，通过伺服电机驱动能够保证运动的精确性，保证丝杆螺母产生精确的位移，进而使驱动绳索随丝杆螺母而产生的拉伸和松弛在精确的控制下。

驱动绳索实际与丝杆螺母12连接的位置往往难以保证，为了确保与实际驱动绳索的轴线方向一致，丝杆螺母12连接有牵引块13，牵引块13一端与丝杆螺母12连接，一端朝着驱动绳索的轴线方向延伸，驱动绳索伸入驱动模块1内，并与牵引块13固定连接，通过牵引块13的运动带动驱动绳索的运动。

驱动模块1还包括与丝杆11平行设置的滑轨14，牵引块13可滑动地设置于滑轨14上，优选的，滑轨14上可滑动地设置有滑块15，牵引块13固定安装于滑块15上，进而与滑块15一同可滑动地设置于滑轨14上。

优选的，丝杆螺母12连接有螺母座120，螺母座120套设于丝杆11上，牵引块13一端与螺母座120连接，丝杆螺母12、螺母座120、牵引块13一同沿着丝杆11的轴线方向移动。

每个驱动模块1可以驱动一个驱动绳索的运动，为了驱动多个驱动绳索的运动，如图2，设置若干个驱动模块1，若干个驱动模块1集成在一起形成驱动箱100，驱动箱100整体呈圆柱形结构，若干驱动模块1周向均匀排布于驱动箱100的边沿处。在驱动箱100的长度方向上依次设置有第一端盘101、第二端盘102、第三端盘103以及第四端盘104，第一端盘101与第三端盘103的中心部位通过第一轴承座105连接，第二端盘102与第三端盘103的中心部位通过第二轴承座106连接，第二轴承座106的直径大于第一轴承座105的直径，第三端盘103与第四端盘104之间通过上述的丝杆11、滑轨14连接，或者也可以额外在第三端盘103与第四端盘104之间设置横架将两者连接起来。

具体地，第二端盘102、第三端盘103的边沿处设有第一过孔1000，驱动电机10位于第一端盘101与第二端盘103之间，驱动电机10的输出轴通过第二端盘102上的第一过孔1000伸入到第二端盘102与第三端盘103之间，丝杆11位于第三端盘103与第四端盘104之间，并通过第三端盘103上的第一过孔1000伸入到第二端盘102与第三端盘103之间，在第二端盘102与第三端盘103之间，驱动电机10的输出轴与丝杆11通过联轴器107连接，第四端盘104用于安装固定柔性臂模块2，并且在第四端盘104的中部设有第二过孔1100，柔性臂模块2的驱动绳索通过第二过孔1100伸入到驱动箱100内，并与牵引块13连接。

第四端盘104的底部设有支架110，支架110具有与第四端盘104轮廓相同的圆弧形结构，用于支撑第四端盘104。

如图4，示出了本发明一个实施例的柔性臂模块的结构示意图。柔性臂模块2包括依次设置的第一臂段20、第二臂段21、第三臂段22以及穿过第一臂段20、第二臂段21、第三臂段22的驱动绳索23，第一臂段20的端面与第四端盘104固定连接，固定连接的方式优选为通过螺栓固定，第一臂段20与第二臂段21之间、第二臂段21与第三臂段22之间通过关节24连接，关节24提供相邻臂段之间相对转动所需要的自由度。

驱动绳索23的依次穿过第一臂段20、第二臂段21与第三臂段22，驱动绳索23的一端穿过第四端盘104的第二过孔1100，并延伸至对应的牵引块13的位置处，然后与牵引块13固定连接，驱动绳索23的另一端固定在第三臂段22的端部，当然，针对不同的柔性臂模块，臂段的数量可能不限于3个，在第三臂段22的后端可能还会具有第四臂段、第五臂段、第六臂段等等，驱动绳索23则固定在末端的臂段的端部即可。

为了简化研究的模型，本发明实施例以二自由度柔性机器人为实施例，关节24优选为十字万向节，驱动绳索23优选为3个，3个驱动绳索23以两两周向相隔120度方向穿过三个臂段。

为了检测该模型的运动参数，在3个驱动绳索23位于第二臂段21的部位设置有力测量单元25，以测量第二臂段21位置处驱动绳索23的拉力的值，优选的，在至少1个驱动绳索23上设置多个力测量单元25，多个力测量单元25分别位于该驱动绳索23伸入驱动箱100的部位、位于第一臂段20的部位、位于第二臂段21的部位、以及位于第三臂段22的部位，分别检测该驱动绳索23在驱动箱100部分、第一臂段20、第二臂段21、第三臂段22部位的拉力的值；此外，第二臂段22两端的关节24连接角度测量单元26(如图6)，以检测关节24的转动角度。

如图5，在本发明一个实施例中，力测量单元25包括力传感器250以及位于力传感器250两端的螺帽251，螺帽251呈圆柱形结构，螺帽251的端部开设有供驱动绳索23穿过的过孔252，具体的，两个螺帽251分别与力传感器250的两端固定，驱动绳索23通过一个螺帽251端部的过孔252穿入，并固定在螺帽251上，通过螺帽251将拉力传递给力传感器250，使力传感器250检测到驱动绳索23的拉力，然后从另一个螺帽251的端部的过孔252穿出。

如图6，在本发明一个实施例中，角度测量单元26优选为角度编码器，每个关节24连接两个角度编码器，两个角度编码器分别与关节24的两个转动轴连接，以此来检测关节24两个转动方向上的转动角度。

如图7，第二臂段21的两端设有过线盘210，过线盘210上开设有供驱动绳索23通过的第三过线孔211，第一臂段20朝向第二臂段21的一端、第三臂段22朝向第二臂段21的一端设有设置有过线盘，并在过线盘上开设第三过线孔。

本实施例中，驱动绳索23直接穿过第一臂段21、第二臂段22、第三臂段23的第三过线孔，驱动绳索23在第三过孔处会受到较大的摩擦力，本实施例的模型可以模拟摩擦力较大的工况。

如图8，示出了本发明另一个实施例第二臂段端部结构示意图，本发明第二个实施例的第二臂段端部结构与本发明第一个实施例的第二臂段的端部结构基本相同，不同之处在于，第二臂段21的端部还设有一对滑轮装配体4，驱动绳索23在一对滑轮装配体4之间穿过，可以显著减小驱动绳索23穿过第三过线孔211后所受到的摩擦力。

如图9，滑轮装配体4包括安装轴40、安装在安装轴40上的滑轮41、以及位于滑轮41两端的轴承42，过线盘210上设有一对安装轴孔212，安装轴40通过对应的安装轴孔212安装在过线盘211上，滑轮41上设有滚动槽410，一对滑轮41以过线孔211为中心对称设置，使得从过线孔211穿过的驱动绳索23正好进入一对滑轮41的滚动槽410之间，其中，一对滑轮41的滚动槽410的尺寸小于过线孔211的孔径大小，并保证其足够接近驱动绳索23的直径，通过滑轮装配体4的设置，可以显著的减小驱动绳索23由于穿过过线孔211而受到的摩擦力。

优选的，在第一臂段20的端部、第三臂段22的端部也设置滑轮装配体4。

在本实施例中，该模型可以模拟小摩擦力情况下的工况。

以上实施例中，柔性臂模块2的各臂段之间的相对转动是独立的，即第二臂段21、第二臂段22分别具有两个自由度，第二臂段21与第二臂段22之间的转动无联动关系。下面，参照图10与图11，详细说明柔性臂模块各臂段之间转角联动的方案。

如图10，本实施例中，柔性臂模块的结构与上述实施例中的柔性臂模块的结构基本相同，其也分为具有滑轮装配体和不具有滑轮装配体两种情况。本实施例的柔性臂模块与上述实施例的柔性臂模块的不同之处在于：设置了短联动绳5与长联动绳6。

参照图11，设置一对短联动绳5，一对短联动绳5对称布置于第二臂段21的两侧，结合图10，第二臂段21的两端，关节24的一个自由度的转轴的两端设置有第一盘线轮240，第一盘线轮240随关节24的所述转轴同步转动，在第二臂段21的一侧，一个短联动绳5的一端穿过第二臂段21一端的过线盘210并缠绕于对应的第一盘线轮240上，该短联动绳5的另一端穿过第二臂段21另一端的过线盘210，并缠绕在该端的第一盘线轮240上，短联动绳5的两端均固定设置；在第二臂段21的另一侧，另一个短联动绳5的一端穿过第二臂段21一端的过线盘210，并缠绕于关节24对应该侧的第一盘线轮240上，该短联动绳21的另一端穿过第二臂段21的另一端的过线盘210，并缠绕在对应的第一盘线轮240上，该短联动绳5的两端均固定设置。短联动绳5的两端缠绕第一盘线轮240的方向相反，并且，两个短联动绳5缠绕对应的第一盘线轮240的方向也相反，因此，整体上看，两个短联动绳5呈交叉的X形结构。

如图11，设置一对长联动绳6，一对长联动绳6对称设置于第二臂段21的两侧，结合图11，一对长联动绳6用于实现另一个自由度的联动，在第二臂段21的一侧，一个长联动绳6的一端穿过第二臂段21朝向第三臂段22的端部的过线盘210，并穿过第二臂段21该端的关节24，关节24上设有第二盘线轮241，长联动绳6的端部缠绕第二盘线轮241，然后将长联动绳6的该端固定；该长联动绳6的另一端穿过第二臂段21另一端的过线盘210，并穿过第二臂段21该端的关节24，然后延伸至第一臂段20的端部，长联动绳6的端部缠绕在第二盘线轮241上，并且长联动绳6该端的端部固定设置，在经过第二臂段21时，长联动绳6围绕第二臂段21弯曲180度；在第二臂段21相对侧一侧，另一个长联动绳6也采用相同的连接方式，其一端与第三臂段22的端部固定连接，其另一端依次穿过关节24、缠绕第二盘线轮241，然后端部固定设置，在经过第二臂段21时，该长联动绳6围绕第二臂段21转动180度。优选的，第一臂段20、第三臂段22的端部的外表面设有与内部连通的固线座27，长联动绳6的两端分别从第一臂段20、第三臂段22的固线座27伸出并固定。

短联动绳5、长联动绳6分别实现第二臂段21、第三臂段22两个自由度方向上的联动，使两个臂段的转动相互联动。

本实施例中，短联动绳5、长联动绳6上均设置有力测量单元25，用于检测短联动绳5、长联动绳6的拉力值。

在本实施例中，臂段的端部可能设置滑轮装配体，使其在小摩擦力的工况下进行实验，也可以不设置滑轮装配体，使其在大摩擦力的工况下进行实验。

需要注意，本发明实施例公开的柔性臂模块只是本发明一些优选的实施例，本领域技术人员可以增加驱动绳索的数量、增加臂段的数量从而获得更多的模型，这些应该在本发明的保护范围内。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，包括

柔性臂模块，所述柔性臂模块包括第一臂段、第二臂段、第三臂段以及穿过所述第一臂段、所述第二臂段与所述第三臂段的驱动绳索，所述第一臂段与所述第二臂段之间、所述第二臂段与所述第三臂段之间通过关节连接；

驱动模块，所述驱动模块包括驱动件、丝杆、丝杆螺母，所述驱动件能驱动所述丝杆转动，所述丝杆螺母与所述丝杆连接，所述丝杆的转动能够带动所述丝杆螺母沿所述丝杆的轴线方向移动，所述驱动绳索的一端与所述丝杆螺母连接；

角度测量单元，所述角度测量单元与所述关节连接，用于检测所述关节的转动角度；

拉力测量单元，所述拉力测量单元与所述驱动绳索连接，用于检测所述驱动绳索的拉力值。

2.根据权利要求1所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，所述驱动绳索包括三处，三处所述驱动绳索均匀排布于所述第一臂段、所述第二臂段、所述第三臂段的周向方向上。

3.根据权利要求2所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，所述驱动绳索位于所述驱动模块的部分连接有所述拉力测量单元。

4.根据权利要求3所述的绳驱动柔性机器人实验平台，其特征在于，至少一个所述驱动绳索，其位于所述第一臂段的部分、位于所述第二臂段的部分、位于所述第三臂段的部分以及位于所述驱动模块的部分均设置有所述拉力测量单元。

5.根据权利要求1所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，所述力测量单元包括力传感器以及位于所述力传感器两端的螺帽，所述螺帽的端部开孔设置。

6.根据权利要求1所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，所述丝杆螺母连接有牵引块，所述驱动绳索沿其轴线方向向所述驱动模块延伸并固定于所述牵引块上。

7.根据权利要求6所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，还包括与所述丝杆平行的滑轨，所述滑轨上设有能够沿所述滑轨滑动的滑块，所述牵引块固定安装于所述滑块上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的绳驱动柔性机器人实验平台，其特征在于，所述第二臂段的两端分别设有一对供所述驱动绳索穿过的滑轮装配体；

所述滑轮装配体包括安装轴、安装于所述安装轴上的滑轮以及位于所述滑轮两端的轴承；

所述第二臂段的端部设有一对安装轴孔，一对所述滑轮装配体的所述安装轴分别安装于一对所述安装轴孔上。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，还包括一对短联动绳以及一对长联动绳，一对所述短联动绳对称布置于所述第二臂段的两侧，所述短联动绳的两端分别与所述第二臂段两端的所述关节连接，一对所述长联动绳对称布置于所述第二臂段的两侧，所述长联动绳的两端分别固定安装在所述第一臂段、所述第三臂段的端部。

10.根据权利要求9所述的绳驱柔性机器人实验平台，其特征在于，所述短联动绳与所述长联动绳上设有所述拉力测量单元。