一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统及控制方法，包括防水云台基体、刚性可折叠机构和绳驱动控制模块；刚性可折叠机构包括若干层线性叠加的刚性可折叠单元，层与层之间的刚性可折叠单元通过合页铰接；每层刚性可折叠单元包括八个成环形布置的可变形模块，每个可变形模块包括四块刚性等腰梯形片，四块刚性等腰梯形片的侧面依次通过合页铰接形成四棱台结构的可变形模块；四棱台结构的顶面朝向环形中心，四棱台结构的底面背向环形中心；用绳驱动的方式，实现刚性可折叠机构的伸缩弯曲以及机械爪的开合动作。本发明专利技术具有柔性机械臂自由度高、运动灵活的特点，同时具有刚性结构的优点。具有刚性结构的优点。具有刚性结构的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及柔性机械臂领域，尤其是涉及一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统及控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，作为巨大的资源宝库的深海资源已经被越来越多学者所重视。随着深潜技术日趋成熟，海洋资源的开发与科学研究的需求不断提高，可以实现水下定点取样的高效作业型水下机械臂系统已成为学界关注的重点。
[0003]传统的机械臂采用的是刚性杆关节，运动空间很有限，对于复杂、狭小的空间环境难以适应，无法进行抓取作业。而近年来新兴的连续性机器人全部由柔性关节构成，其自由度在理论上有无穷多个，可以满足灵活运动的要求，适应复杂、狭小工作环境。
[0004]如公开号为CN212445224U的中国专利文献公开了一种柔性关节机器人，包括：驱动部；传动部，所述驱动部与传动部一端可拆卸连接，且驱动端位于传动部内；动作部，所述动作部一端与传动部传动端可拆卸连接；机械手，所述机械手与动作部另一端可拆卸连接。
[0005]公开号为CN206840080U的中国专利文献公开了一种串并联混合结构的工程柔性机器人系统，包括柔性臂、驱动总成、控制装置；所述的柔性臂由多个关节单元串联构成，柔性臂还包括万向节、钢丝绳索；相邻的关节单元由万向节连接，能够实现俯仰、摆动运动。
[0006]然而，水下工作环境十分复杂恶劣，相较于刚性机械臂而言，柔性机械臂承受冲击能力弱，周向压缩变形明显，无法适应水下湍流以及深水压力的冲击。并且柔性机械臂运动学建模困难，机械爪的位置具有很大的不确定性。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统及控制方法，具有柔性机械臂自由度高、运动灵活的特点，可以在多障碍物的复杂环境中正常工作，同时又具有刚性结构的优点，能承受水下湍流、深水压力或其他来源的冲击。
[0008]一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，包括防水云台基体、刚性可折叠机构和绳驱动控制模块；
[0009]所述刚性可折叠机构包括若干层线性叠加的刚性可折叠单元，层与层之间的刚性可折叠单元通过合页铰接；每层刚性可折叠单元包括八个成环形布置的可变形模块，每个可变形模块包括四块刚性等腰梯形片，四块刚性等腰梯形片的侧面依次通过合页铰接形成四棱台结构的可变形模块；每层刚性可折叠单元八个可变形模块成环形布置时，四棱台结构的顶面朝向环形中心，四棱台结构的底面背向环形中心；
[0010]底层刚性可折叠单元的下端面通过安装板固定在防水云台基体上，所述的绳驱动控制模块设置在防水云台基体内部；
[0011]刚性可折叠机构上穿设有第一驱动绳和第二驱动绳，所述第一驱动绳和第二驱动绳的下端穿过安装板后与绳驱动控制模块连接；第一驱动绳和第二驱动绳的上端分别依次
穿过各层刚性可折叠单元中的至少部分等腰梯形片，用于牵动刚性可折叠单元的至少一侧折叠缩短；通过控制第一驱动绳、第二驱动绳的伸长和缩短实现刚性可折叠机构的弯曲；
[0012]顶层刚性可折叠单元的环形中心处设有机械爪，所述的机械爪与第三驱动绳的上端连接，第三驱动绳的下端穿过安装板与绳驱动控制模块连接，通过控制第三驱动绳的伸长与缩短实现机械爪的张开与闭合。
[0013]优选，驱动绳为钢绳，钢绳具有可传递更大的力和力矩。
[0014]所述的绳驱电路控制模块包括单片机和三个直流减速电机，三个直流减速电机的输出轴分别与第一驱动绳、第二驱动绳和第三驱动绳的下端连接。
[0015]所述的机械爪包含三个夹爪，每个夹爪的下部设有两个安装孔，其中一个安装孔与安装块的一端铰接，安装块的另一端铰接在固定板上；另一个安装孔与固定在控制杆上的固定块铰接；所述的固定板固定在顶层刚性可折叠单元的上端面，所述控制杆的下端穿过固定板后与第三驱动绳的上端连接；所述控制杆在安装板和固定块之间的位置套设有弹簧。
[0016]进一步地，相邻刚性可折叠单元之间排列在同一直线上的各个可变形模块分为一组，相互正对的两组可变形模块分别对应穿设有第一驱动绳和第二驱动绳。
[0017]进一步地，顶层和底层刚性可折叠单元上的可变形模块中，设有角度传感器。
[0018]进一步地，合页铰接结构内设有用于使柔性单元保刚性可折叠单元及可变形模块保持拉伸状态的扭簧。
[0019]一种水下柔性机械臂系统的控制方法，该控制方法包括：
[0020]通过坐标系齐次变换矩阵的方法对刚性可折叠机构进行正运动学建模；
[0021]根据构建的模型，绳驱动控制模块控制第一驱动绳和第二驱动绳的伸缩，使刚性可折叠机构弯曲至机械爪到达抓取位置；
[0022]绳驱动控制模块控制第三驱动绳收缩，机械爪进行抓取。
[0023]进一步地，通过坐标系齐次变换矩阵的方法对刚性可折叠机构进行正运动学建模的具体过程为：
[0024]通过角度传感器测得顶层和底层刚性可折叠单元中可变形模块的下部面
‑
面角分别为B
11
，B
21
，进一步根据几何关系求得对应可变形模块中的上部面
‑
面角B
12
，B
22
；
[0025]通过这两个面
‑
面角的大小以及相应的几何关系得到机械爪所在位置在基准空间坐标系中的坐标，公式为：
[0026][0027][0028][0029]其中，P1、P2为包含刚性可折叠机构顶层两端的坐标的4
×
1向量，即齐次坐标，它们坐标连线的中点即机械爪所在位置的坐标；T1、T2为刚性可折叠机构底层两端相对于基准空间坐标系的坐标系齐次变换矩阵；T
b11
，T
b21
，T
b12
，T
b22
为基于已知面
‑
面角B
11
，B
21
，B
12
，B
22
的坐标系齐次变换矩阵；T
n
为基于层与层之间倾斜角的坐标系齐次变换矩阵，layer为层数，向量提取坐标系齐次变换矩阵中位置的平移变换，即位置的坐标；向量中x，y，z即机械爪所在位置的坐标。
[0030]T
b
矩阵具体如下：
[0031][0032]m,n,k满足：
[0033][0034]其中，a,b,h,C均为构成可变形模块的梯形面的集合尺寸，a为梯形上底，b为梯形下底，h为梯形的高，C为梯形的底角；m,n,k用于求得旋转矩阵中Z轴的值，B为对应的面
‑
面角。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0036]本专利技术中，机械臂采用特殊的刚性折叠机构作为关节，相较于传统刚性机械臂自由度高，运动灵活。机械臂的折叠机构全部采用刚性部件构成，相较于传统柔性机械臂能承受较大冲击，具有较小的泊松比，周向难以被压缩，此外全刚性结构可以进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，包括防水云台基体、刚性可折叠机构和绳驱动控制模块；所述刚性可折叠机构包括若干层线性叠加的刚性可折叠单元，层与层之间的刚性可折叠单元通过合页铰接；每层刚性可折叠单元包括八个成环形布置的可变形模块，每个可变形模块包括四块刚性等腰梯形片，四块刚性等腰梯形片的侧面依次通过合页铰接形成四棱台结构的可变形模块；每层刚性可折叠单元八个可变形模块成环形布置时，四棱台结构的顶面朝向环形中心，四棱台结构的底面背向环形中心；底层刚性可折叠单元的下端面通过安装板固定在防水云台基体上，所述的绳驱动控制模块设置在防水云台基体内部；刚性可折叠机构上穿设有第一驱动绳和第二驱动绳，所述第一驱动绳和第二驱动绳的下端穿过安装板后与绳驱动控制模块连接；第一驱动绳和第二驱动绳的上端分别依次穿过各层刚性可折叠单元中的至少部分等腰梯形片，用于牵动刚性可折叠单元的至少一侧折叠缩短；通过控制第一驱动绳、第二驱动绳的伸长和缩短实现刚性可折叠机构的弯曲；顶层刚性可折叠单元的环形中心处设有机械爪，所述的机械爪与第三驱动绳的上端连接，第三驱动绳的下端穿过安装板与绳驱动控制模块连接，通过控制第三驱动绳的伸长与缩短实现机械爪的张开与闭合。2.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，所述的绳驱电路控制模块包括单片机和三个直流减速电机，三个直流减速电机的输出轴分别与第一驱动绳、第二驱动绳和第三驱动绳的下端连接。3.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，所述的机械爪包含三个夹爪，每个夹爪的下部设有两个安装孔，其中一个安装孔与安装块的一端铰接，安装块的另一端铰接在固定板上；另一个安装孔与固定在控制杆上的固定块铰接；所述的固定板固定在顶层刚性可折叠单元的上端面，所述控制杆的下端穿过固定板后与第三驱动绳的上端连接；所述控制杆在安装板和固定块之间的位置套设有弹簧。4.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，相邻刚性可折叠单元之间排列在同一直线上的各个可变形模块分为一组，相互正对的两组可变形模块分别对应穿设有第一驱动绳和第二驱动绳。5.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，顶层和底层刚性可折叠单元上的可变形模块中，设有角度传感器。6.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统，其特征在于，合页铰接结构内设有用于使柔性单元保刚性可折叠单元及可变形模块保持拉伸状态的扭簧。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕虎，武鑫，唐溢禹，汤子安，郑子豪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：