一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人技术方案

本发明专利技术属于特种机器人技术领域，公开了一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人，包括功能端和控制端；功能端包括：柔性机械臂模块，摄像照明模块，顶部固定模块，放缩模块，驱动模块，传动模块，传感器模块；控制端包括：柔性机械臂控制模块，摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定位姿；传感器控制模块，实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集和力传感器的初始预紧功能。本发明专利技术通用性强、模块化程度高、安全及相对尺寸较小；同时减少钢塑软管与放缩盘之间的摩擦；减小钢塑软管中丝随钢塑软管急剧变化产生较大的滑动摩擦力，间隔圆盘的固定方式使得连续体机器人有足够的抗扭刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人
本专利技术属于特种机器人
，尤其涉及一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人。
技术介绍
目前，狭窄拥塞的环境中执行精细任务，一直是传统连续体机器人难以攻克的瓶颈。超冗余的蛇形机器人或无限冗余的连续体机器人为机器人在狭窄空间中执行任务提供了可能。由于大型设备的检测及维修需要承担高昂的成本费用。因而最近几年超冗余机器人引起了许多研究者的关注。较早的OC机器人主要用核反应设备的检测和维修，该机器人拥有20个自由度。沈阳自动化研究所和海安交睿机器人分别都研发24自由度和25自由度的超冗余机器人。其中，他们的机械本体及控制部分结构尺寸相对较大，最为主要的是由于自由度和可控性的限制超冗余机器人柔性臂长度并不能满足大型设备的检修及维护任务。以海安交睿机器人为例执行体的长度仅为1235mm，无法解决超大型设备检修及维护任务。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有超冗余机器人结构尺寸大，拥有的自由度数目相对较少，在运动过程中柔索或杆的摩擦力较大，解决间隔圆盘抗扭的问题较复杂，未能将机械部分与电柜控制部分集成化一体设计或者设计在一起结构尺寸相当大。解决以上问题及缺陷的难度为：保证小结构尺寸下安装更多的驱动单元，保证小结构尺寸下各个模块的选型、布局和排线；该设计布局难度较大。与海安交睿连续体机器人相比，本专利技术结构尺寸比其小的多，然而关于连续体机器人自由度本专利技术增大了10个，相当于多增加了16个驱动单元，该系统无单独控制柜部分，该部分集成到了机械结构中，该部分设计布局实现难度较大；解决柔性臂上间隔圆盘不抗扭的问题，难度一般；放缩盘的设计减少柔索或杆在运动过程中存在摩擦力较大的问题，难度一般。解决以上问题及缺陷的意义为：本专利技术是面向深腔作业的柔性机械臂系统，在设计和结构布局的尺寸上集成化程度高，相对现有超冗余机器人结构尺寸较小。可控自由度多，执行体结构尺寸长，容易更换，灵活性强，柔性臂结构的柔顺灵活性高，原位检测可控自由度为35个，针对超大型航天工作站或超大型装备的检测和维修有着重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种面向深腔作业的柔性机械臂系统及连续体机器人。系统共计拥有35个自由度，其中34个自由度为柔性体自由度，另外该系统预留一个驱动传动模块，可以增加末端点的夹持自由度或其它形式实现的自由度，因此本专利技术涉及一种面向深腔作业的柔性机械臂系统拥有35个自由度。本专利技术是这样实现的，一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，所述面向深腔作业的柔性机械臂系统包括：功能端和控制端；功能端包括：柔性机械臂模块，包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的；摄像照明模块，捕捉并指定目标点的位置；顶部固定模块，用以固定拆卸柔性机械臂；放缩模块，调整柔性机械臂的姿态；驱动模块，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器运动传递给丝杆滑块机构，再通过滑块上固定的螺母座带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转；传动模块，通过丝杆导轨的下底板和丝杆导轨的上底板进行固定，丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以使丝杆在周向的正常工作；传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接；控制端包括：柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂35个自由度的52个控制电机；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件；实现柔性机械臂在每段构节处实现两个平面弯转自由度；摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；传感器控制模块，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现力传感器的初始预紧功能。优选的，所述柔性机械臂模块一种结构为选用一组纵横交错的镍钛合金板作为结构主骨架，其中，单节段的镍钛合金板数量为2个或者是4个。优选的，柔性机械臂模块构型二包括间隔盘、镍钛合金杆、固定间隔盘、柔索/杆及间隔盘固定环；优选的，柔性机械臂模块构型三，具体的间隔盘在每段构节中分布多个，间隔盘的线孔分成两圈，间隔盘中间通过柔性骨架，间隔盘的固定通过固定环限制其轴向及周向的自由度；固定环数量为2个；间隔圆盘采用激光焊接在结构主骨上，结构主骨材料为直径5mm的镍钛合金杆。进一步，所述机械本体设置有顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、丝杆导轨上底板、丝杆导轨下底板、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板；顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板均通过大螺栓导向杆及小螺栓导向杆连接装配而成；其中，丝杆导轨上底板和丝杆导轨的下底板，是通过两个螺帽进行压紧固定。进一步，所述驱动模块固定板包括上固定板及下固定板；放缩基准盘为钢塑软管放缩圆盘包括基准放缩板和五个不同直径的圆盘，当柔性机械臂尺寸较小时钢塑软管更换为镍钛合金管；大螺栓导向杆数量为4个、小螺栓导向杆的数量为8个。进一步，所述顶部固定模块设置有顶部固定头，顶部固定头设置有顶部固定板，固定盘上设置有螺纹孔。进一步，所述传动模块设置有导轨滑块、螺母、螺母座、连接压板、拉压力传感器、丝杆；螺母通过螺母座安装在丝杆滑块上，螺母座贯穿有丝杆，螺母座上通过螺栓杆固定有连接压板，连接压板上固定有压力传感器，压力传感器通过螺栓杆与柔索或杆连接；其中，传动模块中螺母座在丝杆和螺母的传动下拉或推动柔索和杆实现柔性连续机械臂的变形；传动模块的螺母座应布局在丝杆的中间。进一步，所述驱动模块设置有联轴器、行星减速器及伺服电机；伺服电机通过行星减速器与联轴器连接，联轴器与传动模块连接。进一步，所述放缩模块设置有驱动绳索或杆的放缩盘；放缩圆盘主要包括第一层放缩盘、第二层放缩盘、第三层放缩盘、第四层放缩盘、第五层放缩盘、放缩基准盘；放缩基准盘上端为第五层放缩盘，第五层放缩盘上端为第四层放缩盘，第四层放缩盘上端为第三层放缩盘，第三层放缩盘上端为第二层放缩盘，第二层放缩盘上端为第一层放缩盘；当钢塑软管穿过放缩盘中的一个孔时，每个孔均处理了一定的圆弧角度；钢塑软管与放缩盘的接触点应保证不产生相对滑移。进一步，所述柔性机械臂模块中柔性机械臂共有17节段，其中，两个节段为第一节段和第二节段；柔性机械臂包括：锁紧环、间隔圆盘、柔索或杆或结构次骨、钢塑软管、结构主骨、螺栓固定杆、紧定螺钉；其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述面向深腔作业的柔性机械臂系统包括：/n柔性机械臂模块，包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的；/n摄像照明模块，捕捉并指定目标点的位置；顶部固定模块，用以固定拆卸柔性机械臂；放缩模块，调整驱动柔索或杆经过钢塑软管急剧变化所产生的摩擦；/n驱动模块，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，再通过滑块上固定的螺母座上的连接压板带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转；/n传动模块，通过丝杆导轨的下底板的沉头方孔和丝杆导轨的上底板的沉头方孔通过螺母进行压紧固定，丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以使丝杆在周向的正常工作；/n传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接；/n柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂35个自由度的控制；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件；实现柔性机械臂在每段构节处完成两个平面弯转自由度；/n摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；/n传感器控制模块，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现力传感器的初始预紧功能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述面向深腔作业的柔性机械臂系统包括：
柔性机械臂模块，包括：远端的执行结构、近端与机械本体固定的结构；远端的执行结构通过连接体与驱动传动模块，执行臂的远端结构运动是通过驱动传动单元实现的；
摄像照明模块，捕捉并指定目标点的位置；顶部固定模块，用以固定拆卸柔性机械臂；放缩模块，调整驱动柔索或杆经过钢塑软管急剧变化所产生的摩擦；
驱动模块，驱动模块运动是通过联轴器将行星减速器旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，再通过滑块上固定的螺母座上的连接压板带动柔索/杆进而实现柔性机械臂构型的弯转；
传动模块，通过丝杆导轨的下底板的沉头方孔和丝杆导轨的上底板的沉头方孔通过螺母进行压紧固定，丝杆是顶插在上下板沉头孔中的轴承中，以使丝杆在周向的正常工作；
传感器模块，传感器模块包括接近开关限位模块及力传感器模块，力传感器模块包括拉压力传感器、变送器子站、端子板及变送器主站；力传感器的连接方式为如下：将螺母座与柔索之间的力传感器通过丝杆滑块的下固定板接到传感器控制模块的变送器子站，变送器子站接到端子板上，通过连接线将各个端子板串联在一起，将端子板的最后一个末端口连接到变送器主站上，变送器主站通过以太网口与PC端连接；
柔性机械臂控制模块，用于控制柔性机械臂35个自由度的控制；机械臂控制模块包括电源，熔断器、风扇、轴模块、运动控制卡及一些电路保护器件；实现柔性机械臂在每段构节处完成两个平面弯转自由度；
摄像照明控制模块，将柔性机械臂运动到指定的位姿；
传感器控制模块，是实现驱动装置的位置反馈及柔索或杆拉压力的采集进行反馈，实现绳索驱动过程中实时力的采集，也可以实现力传感器的初始预紧功能。


2.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述柔性机械臂模块选用一组纵横交错的镍钛合金板作为结构主骨架，单节段的镍钛合金板数量为2个或者是4个。


3.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述远端的执行结构包括间隔盘、镍钛合金杆、固定间隔盘、柔索/杆及间隔盘固定环；
间隔盘在每段构节中分布多个，间隔盘的线孔分成两圈，间隔盘中间通过柔性骨架，间隔盘的固定通过固定环限制其轴向及周向的自由度；固定环数量为2个；间隔圆盘采用激光焊接在结构主骨上，结构主骨材料为直径5mm的镍钛合金杆。


4.如权利要求1所述面向深腔作业的柔性机械臂系统，其特征在于，所述机械本体设置有顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、丝杆导轨上底板、丝杆导轨下底板、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底板及轴模块固定板；
顶部固定头、小螺栓导向杆、放缩基准盘、大螺栓导向杆、驱动模块固定板、传感和摄像模块固定板、底...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红红，杜敬利，沈南阳，李雨亨，吴天瑜，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61