一种管道状连续机器人的形状测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种管道状连续机器人的形状测量装置和方法，该形状测量装置包括长度测量单元、软轴单元和角度测量单元，其中所述长度测量单元连接在所述软轴单元的第一端，所述角度测量单元包括前关节、后关节和多根光纤光栅，所述后关节的后端连接在所述软轴单元的第二端，多根所述光纤光栅并列连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间。本发明专利技术依靠光纤的精确传感能力和高灵敏度，可以改善传统连续型机器人姿态估计误差的问题。续型机器人姿态估计误差的问题。续型机器人姿态估计误差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种管道状连续机器人的形状测量装置和方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种管道状连续机器人的形状测量装置和方法。

技术介绍

[0002]连续型机器人是一种多关节串联的多自由度机器人，它仿照象鼻或章鱼足的特点，可以在自身多处向任意方向弯曲。连续型机器人灵活多变，工作半径大，适合在管道、狭缝、复杂结构、易损伤结构中工作，对多障碍物环境适应性非常强，一些典型的应用场景如复杂机械结构的检查探伤、医疗内窥镜等。
[0003]连续型机器人是近几年开始发展的一种新型机器人结构，它不同于传统离散型刚性机器人，后者的结构通常是刚性杆与离散关节构成，在作业时往往存在工作空间小、易与环境碰撞等问题，连续型机器人因其强大的自由弯曲变形能力，对多变复杂的空间适应性非常强，并且可以有多种工作方式，不仅可以通过末端的执行器进行探测、抓取等工作，也可以通过自身的弯曲变形对物体进行卷绕抓取。
[0004]连续型机器人的最大问题是姿态误差较大，通常连续型柔性机器人没有固定的关节点，常用方法难以对其形态进行准确测量，并且由于这种类型机器人的关节是串联结构，前一级的误差会叠加到下一级上并通过臂长放大，因此机器人末端位置误差最大，另一方面由于连续型机器人结构往往为长圆柱形，内部被骨架、筋腱等占据，无法放置关节测量元件，因此通常臂形姿态测量在机器人根部或通过外界光学测量，一方面造成误差另一方面也限制了机器人的工作条件。
[0005]如图1a和图1b所示公开的是一种采用驱动绳末端测量的方法，该多自由度连续机器人结构是通过多段刚性杆101连接，关节处通过三根或以上低弹性驱动绳102拉动驱动，驱动绳102一直保持拉紧状态，当关节103向不同方向弯曲时，三根驱动绳102各自的伸缩量不同，通过测量驱动绳102伸缩量就可以得到关节的弯曲状态。另一种方式是关节向不同方向弯曲时，驱动器104的力矩不同，通过驱动器104力矩反馈得到关节的弯曲状态。这种测量方式存在以下问题：(1)当关节数较多时驱动绳102往往产生明显弹性，伸缩量与关节实际姿态不同；(2)驱动绳102与上基盘105、下基盘106之间会产生较大摩擦力，干扰驱动器104的力矩测量；(3)测量驱动绳102长度往往采用编码器等器件，关节数较多时测量系统的复杂度增加，数据采集受限。
[0006]如图2所示公开的是一种采用外部视觉测量的方法，该连续机器人201本身并不含有测量系统，连续机器人201仅由驱动器、骨架、驱动筋腱等组成，在机器人外部通过摄像机、结构光或激光雷达等进行视觉捕捉(例如图2中包括水平摄像头202、竖直摄像头203和识别靶盘204)，并通过图像处理等方式估计机器人的位姿。这种测量方式存在以下问题：(1)连续机器人201周边不能有遮挡，大大限制了连续机器人201在复杂环境中的应用；(2)图像处理的速度不高，采样率往往在10Hz量级；(3)图像处理的精度不高，受限于环境的光学噪声和采集器的像素精度。
[0007]以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术一种管道状连续机器人的形状测量装置和方法，依靠光纤的精确传感能力和高灵敏度，可以改善传统连续型机器人姿态估计误差的问题。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]本专利技术公开了一种管道状连续机器人的形状测量装置，包括长度测量单元、软轴单元和角度测量单元，其中所述长度测量单元连接在所述软轴单元的第一端，所述角度测量单元包括前关节、后关节和多根光纤光栅，所述后关节的后端连接在所述软轴单元的第二端，多根所述光纤光栅并列连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间。
[0011]优选地，所述角度测量单元还包括镍钛合金丝，多根所述光纤光栅沿着所述镍钛合金丝的轴向并列连接在所述镍钛合金丝的外圆周上，所述镍钛合金丝连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间。
[0012]优选地，所述光纤光栅的数量为三根，三根所述光纤光栅分别连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间沿圆周方向的三等分位置处。
[0013]优选地，所述形状测量装置还包括多个卡环，多个所述卡环沿着所述软轴单元的轴向方向上排列以使得所述软轴单元能够卡合设置在待测的管道状连续机器人的管道内。
[0014]本专利技术还公开了一种管道状连续机器人的形状测量方法，采用上述的形状测量装置进行测量，包括以下步骤：
[0015]将所述形状测量装置伸入到所述管道状连续机器人的管道内进行测量，设定初始测量点后，每次测量后前进预设距离进行多次测量，根据所述形状测量装置的多次测量得到每次测量时的伸入长度和关节角度值，再根据每次测量时的伸入长度和关节角度值计算得到每次测量时的位置坐标，以得到所述管道的形状。
[0016]优选地，根据每次测量时的伸入长度和关节角度值计算得到每次测量时的位置坐标包括：根据当前次测量时的伸入长度和关节角度值以及计算得到的前一次测量时的位置坐标，来计算得到当前次测量时的位置坐标。
[0017]优选地，根据当前次测量时的伸入长度和关节角度值以及计算得到的前一次测量时的位置坐标，来计算得到当前次测量时的位置坐标具体采用下式：
[0018]P
n
＝P
n
‑1+ΔP
n
＝[x
n
‑1+Δx
n
,y
n
‑1+Δy
n
,z
n
‑1+Δz
n
][0019]式中，P
n
、P
n
‑1分别是第n、n
‑
1次测量时的位置坐标，ΔP
n
为第n次测量相比第n
‑
1次测量的位移量，P
n
‑1＝[x
n
‑1,y
n
‑1,z
n
‑1]，ΔP
n
＝[Δx
n
,Δy
n
,Δz
n
]。
[0020]优选地，其中第n次测量相比第n
‑
1次测量的位移量ΔP
n
根据下式计算：
[0021][s,Δx
n
,Δy
n
,Δz
n
]＝q*[0,Δx
n
‑1,Δy
n
‑1,Δz
n
‑1]*q
‑1[0022]式中，s为四元数的实数部分，q
‑1为q的共轭，q、q
‑1表达式分别为：
[0023][0024][0025]式中，ψ为关节实际角度，γ＝[γ
η
,γ
μ
,γ
ν
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道状连续机器人的形状测量装置，其特征在于，包括长度测量单元、软轴单元和角度测量单元，其中所述长度测量单元连接在所述软轴单元的第一端，所述角度测量单元包括前关节、后关节和多根光纤光栅，所述后关节的后端连接在所述软轴单元的第二端，多根所述光纤光栅并列连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间。2.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，所述角度测量单元还包括镍钛合金丝，多根所述光纤光栅沿着所述镍钛合金丝的轴向并列连接在所述镍钛合金丝的外圆周上，所述镍钛合金丝连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间。3.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，所述光纤光栅的数量为三根，三根所述光纤光栅分别连接在所述后关节的前端与所述前关节的后端之间沿圆周方向的三等分位置处。4.根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于，还包括多个卡环，多个所述卡环沿着所述软轴单元的轴向方向上排列以使得所述软轴单元能够卡合设置在待测的管道状连续机器人的管道内。5.一种管道状连续机器人的形状测量方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的形状测量装置进行测量，包括以下步骤：将所述形状测量装置伸入到所述管道状连续机器人的管道内进行测量，设定初始测量点后，每次测量后前进预设距离进行多次测量，根据所述形状测量装置的多次测量得到每次测量时的伸入长度和关节角度值，再根据每次测量时的伸入长度和关节角度值计算得到每次测量时的位置坐标，以得到所述管道的形状。6.根据权利要求5所述的形状测量方法，其特征在于，根据每次测量时的伸入长度和关节角度值计算得到每次测量时的位置坐标包括：根据当前次测量时的伸入长度和关节角度值以及计算得到的前一次测量时的位置坐标，来计算得到当前次测量时的位置坐标。7.根据权利要求6所述的形状测量方法，其特征在于，根据当前次测量时的伸入长度和关节角度值以及计算得到的前一次测量时的位置坐标，来计算得到当前次测量时的位置坐标具体采用下式：P
n
＝P
n
‑1+ΔP
n
＝[x
n
‑1+Δx
n
,y
n
‑1+Δy
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌，尹向辉，王学谦，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：