CN114393574A - 一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，包括控制箱、第一丝驱动单元、测距传感器、第二丝驱动单元、SMA驱动单元和执行器；驱动方式在传统丝驱的基础上进行了混合与改进，混合在于结合SMA驱动让机械臂两个运动状态，通过丝驱实现快速定位，通过SMA实现靠近和微调，两种运动模式的转换使其可以完成更加多样的工作，且具备较快的定位速度；改进在于丝驱动分解控制，可以在力叠加可以接受的范围内增加机械臂运动自由度。运动支链利用折纸机构实现RSR机构同样的效果，可以简化安装、减小摩擦，从而增加机构的寿命与可靠度。两种控制方案相结合，除可以自主运动外还使用坐标分区法增加了用摇杆控制机械臂的模式，实现了很好的人机交互。
Description
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及一种运动模式可变、折叠率大、弯曲灵活、工作范围广的串并联混合柔性机械臂。
背景技术
随着机器人应用场合的不断拓宽，任务种类不断增多，刚性机器人在一些特定条件下已经难以满足我们的需要。为了弥补刚体机器人柔韧性差、适应性差的缺点，模仿自然界象鼻与章鱼触手等类似软体生物提出的柔性机器人便应用而生。柔性机器人大多数用硅胶、橡胶制成，易于变形，而且与人体有更高的适应性。它可以通过高曲率的弯曲和扭转变形来适应不同的工作环境，在杂乱和非特定性工况之中表现得尤为出色，如在医疗领域，柔性机器人可以深入人的体腔进行辅助定位与手术指导，在航空航天领域柔性机器人和可以捕捉地球周围的太空垃圾保证飞行器的正常发射，在制造业，柔性机器人还可以进行复杂环境的零件装配，另外柔性机器人将来在搜救、管道检修等多方面都有着较好的应用前景。
柔性机械臂是基于柔性机器人技术诞生的一个分支，主要用于辅助人类完成一些复杂困难的工作，其大多有固定基座，末端装有用于完成不同工作的执行器。目前柔性机械臂主体结构已经提出过很多形式，大多数为多关节串联的形式。驱动方式有绳驱动、气体、液体驱动、光驱动、记忆合金驱动等多种。但是市场上常见的柔性机械臂大多有如下缺点：
1、运动模式较为单一，多数只有一种驱动方式，这样在面对需要变换工作力度或者工作精巧度的情况时就无法胜任。
2、没有很好的收缩性，这导致其工作空间没有被最大程度地挖掘，无法完成离机械臂结构体较近位置的工作。
鉴于上述，柔性机械臂的主体机构设计和驱动方式仍然是现在需要研究和创新的方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂。本发明采用了RSR(转动副-球面副-转动副)串并联混合的结构形式、SMA(shapememoryalloys，形状记忆合金，简称SMA)与丝混合的驱动方式，目的在于解决以上问题，使柔性机械臂将来有更广阔的应用前景。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，包括控制箱、第一丝驱动单元、测距传感器、第二丝驱动单元、SMA驱动单元和执行器；
所述控制箱上端连接第一丝驱动单元，第一丝驱动单元和第二丝驱动单元之间设置测距传感器，第二丝驱动单元上端连接SMA驱动单元，SMA驱动单元上端连接执行器，所述第一丝驱动和第二丝驱动单元均包括若干相串连的丝驱动组件；
所述丝驱动组件包括丝驱动上连接板、丝驱动下连接板、丝驱动运动支链、丝驱动弹簧底座、驱动丝和丝驱动弹簧，所述丝驱动上连接板和丝驱动下连接板的三条边之间通过丝驱动运动支链连接，所述丝驱动上连接板和丝驱动下连接板的三个角位置处设置丝驱动弹簧底座，丝驱动弹簧底座之间设置驱动丝和围绕驱动丝的丝驱动弹簧；
所述SMA驱动单元包括SMA驱动上连接板、SMA驱动下连接板、SMA驱动运动支链、SMA驱动弹簧底座和SMA驱动弹簧，所述SMA驱动上连接板和SMA驱动下连接板的三条边之间通过SMA驱动运动支链连接，所述SMA驱动上连接板和SMA驱动下连接板的三个角位置处设置SMA驱动弹簧底座，SMA驱动弹簧底座之间设置SMA驱动弹簧；
所述执行器为三爪抓取装置，其上设置有视觉识别传感器和角度加速度传感器。
在上述技术方案中，所述丝驱动运动支链和SMA驱动运动支链具有相同的结构，均包括上运动板、左上运动板、右上运动板、下运动板、左下运动板和右下运动板，所述上运动板分别和左上运动板、右上运动板向内单方向翻动连接，与该结构相对称地，所述下运动板分别和左下运动板、右下运动板向内单方向翻动连接，所述左上运动板和左下运动板向外单方向翻动连接，所述右上运动板和右下运动板向外单方向翻动连接。
在上述技术方案中，所述上运动板、左上运动板、右上运动板、下运动板、左下运动板和右下运动板于其中央位置围成一方孔。
在上述技术方案中，所述向内单方向翻动连接和向外单方向翻动连接通过韧性胶带单面粘贴连接。
在上述技术方案中，所述丝驱动上连接板/SMA驱动上连接板、丝驱动下连接板/SMA驱动下连接板为三角形碳纤维板，其上形成若干走线孔、弹簧底座安装孔和驱动丝孔；走线孔用于通过末端所需摄像头或其他传感器的线，方便其连接至控制箱；弹簧底座安装孔用于固定弹簧底座；驱动丝孔用于穿驱动丝。
在上述技术方案中，所述SMA驱动弹簧为通电加热伸长、常温收缩的记忆合金弹簧，提供伸展和折叠的力。
在上述技术方案中，所述控制箱内设置电机驱动器、电机和主控板，所述电机驱动器与电机相连，所述电机包括数量与驱动丝相对应的驱动丝电机和执行器电机，驱动丝电机的输出端连接丝杠，驱动丝的末端连接在丝杠上，执行器电机与执行器连接，所述主控板与测距传感器、加速度传感器和视觉识别传感器通讯连接，所述主控板控制SMA驱动弹簧的通电。
在上述技术方案中，所述控制箱还设置有摇杆模块，摇杆模块作为第二种控制方案，摇杆将当前位置坐标直接输入到主控板。
在上述技术方案中，所述电源是6S(22.2V)航模电池，带有一个额外的直流可调降压板，电池输出分为两部分，一路直接为电机驱动器供电，另一路通过降压板降压后为主控板和传感器供电。
在上述技术方案中，所述主控板型号为STM32F407，所述电机型号为42步进电机，所述电机驱动器型号为TB6600，所述测距传感器型号为GP2Y0A21，所述加速度角度传感器型号为MPU6050，所述视觉识别传感器型号为OV5640，所述直流可调降压板型号为LM2596S。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明具有较高的折叠率，扩展了传统机械臂的工作空间，使机械臂的运动更加灵活多变。
2、本发明驱动方式在传统丝驱的基础上进行了混合与改进，混合在于结合SMA驱动让机械臂两个运动状态，一是通过丝驱实现快速定位，二是通过SMA实现靠近和微调，两种运动模式的转换使其可以完成更加多样的工作，且具备较快的定位速度；改进在于丝驱动分解控制，可以在力叠加可以接受的范围内增加机械臂运动自由度。
3、本发明中的运动支链利用折纸机构实现RSR机构同样的效果，可以简化安装、减小摩擦，从而增加机构的寿命与可靠度。
4、本发明两种控制方案相结合，除可以自主运动外还使用坐标分区法增加了用摇杆控制机械臂的模式，实现了很好的人机交互。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为丝驱动组件的结构示意图；
图3为SMA驱动单元的结构示意图；
图4为执行器的结构示意图；
图5为测距传感器结构示意图；
图6为丝驱动运动支链/SMA驱动运动支链的结构示意图；
图7为测距传感器安装架的结构示意图；
图8为控制箱内部结构示意图；
图9为丝轴安装示意图；
图10为驱动丝安装示意图；
图11为机械臂运动部分实物样机图；
图12为控制***硬件结构图；
图13为智能控制***工作原理示意图。
图中：
101、机械臂运动机构，102、控制箱；
201、丝驱动上连接板，202、丝驱动运动支链，203、驱动丝，204、丝驱动弹簧，205、丝驱动弹簧底座，206、丝驱动下连接板；
301、SMA驱动上连接板，302、SMA驱动弹簧底座、303、SMA驱动弹簧，304、SMA驱动运动支链，305、SMA驱动下连接板；
401、三爪抓取装置，402、视觉识别传感器，403、角度加速度传感器；
501、测距传感器安装架，502、测距传感器；
601、上运动板，602、左上运动板，603、右上运动板，604、下运动板，605、左下运动板，606、右下运动板；
701、安装架连接板连接孔，702、测距传感器安装孔，703、支撑筋；
801、机械臂安装板，802、角码，803、电机，804、电机安装架，805、侧封边，806、电路板，807、电机驱动器，808、支撑铜柱，809、电源分线盒，810、底板，811、分层板二，812、分层板一，813、侧板一，814侧板二，815、摇杆，816、柔性机械臂安装走线孔；
901、电机，902、丝轴；
1001、驱动丝，1002、穿丝孔；
1101、驱动丝实物，1102、丝驱动环节一实物，1103、传感器环节实物，1104、驱动丝环节二实物，1105、SMA驱动环节实物，1106、执行器实物。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
请参阅图1～图4、图8、图11，本柔性机械臂运动机构101由四部分组成由前端(靠近控制箱的一端)到末端分别为线驱动环节1102-传感器环节1103-线驱动环节二1104-SMA驱动环节1105；末端安装在控制箱102的机械臂安装板上，所述线驱动环节一1102底部并联单元下连接板与控制箱机械臂安装板801使用螺丝固连，驱动丝1101穿过所述控制箱机械臂安装板801分别与内部相应驱动电机丝轴相连，两并联单元之间、传感器单元与并联单元之间均共用相同的连接板。所述丝驱动环节一1102、丝驱动环节二1104、SMA驱动环节1105当中使用相同的运动支链，即所述运动支链202、运动支链304，运动支链变形方式也相同。所述驱动丝共有六根，其中三根一端与所述丝驱动环节一1102顶端固结，另外三根一端与所述驱动丝环节1106固结，另一端同样与丝轴固结。驱动环节一1102和驱动环节二1104分别具有三个自由度，当拉动单独一根驱动丝时，该驱动丝以下并联单元会向该侧弯曲，多个驱动丝共同作用可以实现运动耦合。每个丝驱动环节并联单元中的压簧204为并联单元提供回复力，当驱动丝伸长松开后，每个并联单元可以自行恢复到初始状态。为减轻力的叠加效果，前端压簧刚度较大，后端末簧刚度较小，为防止压簧发生压杆弯曲效应特将压簧两端与弹簧底座205固定。所述SMA弹簧303被加热之后会伸长且刚度加大，所述SMA驱动环节1105就会产生弯曲或伸长的运动，当SMA弹簧303温度降低后，SMA驱动环节恢复原状，同样为防止SMA弹簧发生压杆弯曲效应，将弹簧两端与SMA弹簧底座302固定。与丝驱动环节不同的是SMA环节由于其中每个并联单元都具有三个SMA弹簧进行驱动，所以SMA环节自由度是其中并联单元个数的三倍。
请参阅图1，图5～图10，为典型部件安装介绍。所述并联的单元的运动支链，两块运动板一601与四块运动板二602之间使用韧性胶带相连，用来模拟单向旋转铰链。图7为测距传感器安装架501，所述测距传感器安装架501通过安装架连接板连接孔701与连接板螺栓连接，使得三个传感器方向分别朝向三根驱动丝，所述测距传感器502通过测距传感器安装孔702与测距传感器安装架501螺栓连接，支撑筋703起到加固作用。所述控制箱外观呈长方体，由一块顶板801、两块侧板一813和两块侧板二814围成，板之间使用所述角码802、侧封边805配合螺栓固定。所述摇杆815、机械臂运动机构101安装在机械臂安装板801上，控制箱102内部分为上中下三层，上层放置电机，所述电机803通过电机安装架804安装在分层板一812上，中层放置主控板等电路板，所述电路板通过铜柱、螺丝固定在分层板二811上，下层放置驱动板806、电源分线盒809，所述电机驱动器807、电源分线盒809，通过螺栓固定在底板810上。所述机械臂安装板801、分层板一812、分层板二811、底板810之间通过支撑铜柱808相连。所述丝轴902与电机901通过顶丝连接，驱动丝1001首先穿过穿丝孔1002固定后缠绕在丝轴902上。
控制方式
请参阅图11～图13，为机械臂控制部件与控制逻辑概述。
1、手动控制
两个摇杆均可以向主控板发送x,y两个方向的模拟量，主控板接收之后进行坐标转换，首先将直角坐标系四个分区转换为i,j,k三向对应的三个分区，分别对应一个丝驱动环节的三个驱动电机。当将摇杆推至某一方向时，单片机识别当前摇杆位置，并将该位置转化到i,j,k分区，单片机发送信号控制其中两个电机收紧驱动丝，合成弯曲运动，进而可以实现机械臂朝向摇杆移动方向发生弯曲。摇杆Z方向按键还可以控制机械臂的伸缩自由度，按动按键，三个驱动电机同时收丝，对应丝驱动单元完成收缩运动，松开按键，驱动电机反转放丝，丝驱动单元恢复伸长状态。
2、自动控制
先给定位置主控板据此计算出初步轨迹，在执行过程中所述传感器模块1103中的三个测距传感器实时反馈距离信息，若某一方发现接近障碍物，主控板控制所述丝驱动环节一1102驱动电机使驱动环节一1103发生背离障碍物的弯曲，同时控制所述丝驱动环节二1104的电机使驱动环节二1104反向弯曲，直到测距传感器回传数据再可控范围内。主控板根据角度加速度传感器回传姿态数据结合避障情况重新构建轨迹算法。当所述执行器1106上的视觉识别传感器识别到待抓取物品在抓取范围内之后，三爪抓取装置合爪完成抓取动作。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：包括控制箱、第一丝驱动单元、测距传感器、第二丝驱动单元、SMA驱动单元和执行器；
所述控制箱上端连接第一丝驱动单元，第一丝驱动单元和第二丝驱动单元之间设置测距传感器，第二丝驱动单元上端连接SMA驱动单元，SMA驱动单元上端连接执行器，所述第一丝驱动和第二丝驱动单元均包括若干相串连的丝驱动组件；
所述丝驱动组件包括丝驱动上连接板、丝驱动下连接板、丝驱动运动支链、丝驱动弹簧底座、驱动丝和丝驱动弹簧，所述丝驱动上连接板和丝驱动下连接板的三条边之间通过丝驱动运动支链连接，所述丝驱动上连接板和丝驱动下连接板的三个角位置处设置丝驱动弹簧底座，丝驱动弹簧底座之间设置驱动丝和围绕驱动丝的丝驱动弹簧；
所述SMA驱动单元包括SMA驱动上连接板、SMA驱动下连接板、SMA驱动运动支链、SMA驱动弹簧底座和SMA驱动弹簧，所述SMA驱动上连接板和SMA驱动下连接板的三条边之间通过SMA驱动运动支链连接，所述SMA驱动上连接板和SMA驱动下连接板的三个角位置处设置SMA驱动弹簧底座，SMA驱动弹簧底座之间设置SMA驱动弹簧；
所述执行器为三爪抓取装置，其上设置有视觉识别传感器和角度加速度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述丝驱动运动支链和SMA驱动运动支链具有相同的结构，均包括上运动板、左上运动板、右上运动板、下运动板、左下运动板和右下运动板，所述上运动板分别和左上运动板、右上运动板向内单方向翻动连接，与该结构相对称地，所述下运动板分别和左下运动板、右下运动板向内单方向翻动连接，所述左上运动板和左下运动板向外单方向翻动连接，所述右上运动板和右下运动板向外单方向翻动连接。
3.根据权利要求2所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述上运动板、左上运动板、右上运动板、下运动板、左下运动板和右下运动板于其中央位置围成一方孔。
4.根据权利要求2所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述向内单方向翻动连接和向外单方向翻动连接通过韧性胶带单面粘贴连接。
5.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述丝驱动上连接板/SMA驱动上连接板、丝驱动下连接板/SMA驱动下连接板为三角形碳纤维板，其上形成若干走线孔、弹簧底座安装孔和驱动丝孔。
6.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述SMA驱动弹簧为通电加热伸长、常温收缩的记忆合金弹簧。
7.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述控制箱内设置电机驱动器、电机和主控板，所述电机驱动器与电机相连，所述电机包括数量与驱动丝相对应的驱动丝电机和执行器电机，驱动丝电机的输出端连接丝杠，驱动丝的末端连接在丝杠上，执行器电机与执行器连接，所述主控板与测距传感器、加速度传感器和视觉识别传感器通讯连接，所述主控板控制SMA驱动弹簧的通电。
8.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述控制箱还设置有摇杆模块，摇杆模块作为第二种控制方案，摇杆将当前位置坐标直接输入到主控板。
9.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述电源是6S(22.2V)航模电池，带有一个额外的直流可调降压板，电池输出分为两部分，一路直接为电机驱动器供电，另一路通过降压板降压后为主控板和传感器供电。
10.根据权利要求1所述的一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂，其特征在于：所述主控板型号为STM32F407，所述电机型号为42步进电机，所述电机驱动器型号为TB6600，所述测距传感器型号为GP2Y0A21，所述加速度角度传感器型号为MPU6050，所述视觉识别传感器型号为OV5640，所述直流可调降压板型号为LM2596S。
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| CN202210147799.1A Pending CN114393574A (zh) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 一种可折叠弯曲的串并联混合柔性机械臂 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114393574A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115488917A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-12-20 | 西南交通大学 | 一种机械手及其使用方法 |
| CN115625691A (zh) * | 2022-09-08 | 2023-01-20 | 浙江大学 | 一种两自由度电驱动软体驱动器 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5035530A (en) * | 1988-10-17 | 1991-07-30 | Nippon Oil Co., Ltd. | Actuator utilizing shape memory alloy and articulated arm comprising this actuator |
| CN109249407A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-01-22 | 合肥工业大学 | 一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人 |
| CN109760103A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-05-17 | 天津理工大学 | 一种仿生章鱼臂二级驱动机构及仿生章鱼臂机构 |
| CN112873194A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-06-01 | 上海工程技术大学 | 一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人 |
| CN113580119A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-02 | 苏州大学 | 一种基于折纸结构的气动连续体机构及连续体机器人 |
-
2022
- 2022-02-17 CN CN202210147799.1A patent/CN114393574A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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