【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及柔性机械臂，具体是涉及一种绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂及驱控系统。
技术介绍
1、空间机械臂是在轨服务的重要装置，可以被用于协助空间站的组装、卫星的释放与回收、故障期间的检测与维修等各种任务。在空间机械臂领域，目前国内外使用最多的是多关节串联的刚性机械臂，其拥有负载能力强，控制精度高，控制方便等优点。然而，在面临某些特殊的空间任务时，传统的刚性机械臂就不能满足需求了，例如小行星裂隙和洞穴探测的深空探索任务、火箭发动机内部狭小空间检测的特殊检查任务以及狭缝处的激光焊接切割、协助故障太阳能帆板展开等非常规任务。针对这些相对较窄或较深的太空作业环境，需要更高自由度、更灵活的柔性机械臂。
2、柔性材料虽然使得机械臂获得高柔顺性，但同时也降低了其对外做功的能力；一些采用薄片变形来驱动的柔性机械臂，虽然弯曲度和负载能力均得到了一定的保证，但在运动的过程中变化不连续，且机械臂运动过程中会有大量的无规则振动，无法稳定控制其运动轨迹；而气动驱动的柔性机械臂虽然变形连续且柔和，但是其结构重复定位精度低，往往输入同样的控制量会得到不同的结果。因此设计一种可以连续稳定变形、有足够的柔顺性的同时有一定的负载能力、结构重复定位精度较高的柔性机械臂，是柔性机械臂走向应用，在空间探索等任务中发挥作用的重要一步。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂及驱控系统，满足空间站等微重力、需要在狭小空间作业的工作需求。
2、为实现上述目的，本专利技术提供
3、所述末端执行器安装在机械臂臂身的上端，用于接触目标物体并执行对目标物体的操作；
4、所述机械臂臂身为波纹管结构，机械臂臂身上端连接末端执行器，下端连接至固定驱动机构，机械臂臂身为柔性变形结构，能够将末端执行器移动至目标位置和方向；
5、所述固定驱动机构用于通过系绳驱动机械臂臂身运动至目标形态，从而将末端执行器移动至目标位置和方向。
6、进一步，所述固定驱动机构包括支撑支架、电机组和公对接环；电机组和公对接环通过螺栓固定在支撑支架上，公对接环用于与机械臂臂身下端的母对接环装配连接，从而将机械臂臂身与固定驱动机构连接；电机组包括9组电机，9组电机分布设置在公对接环周围。
7、进一步，所述电机组由电机本体、舵盘和电机支架组成，系绳缠绕固定在舵盘上，再通过支撑支架上的导向槽轮连接机械臂臂身；通过对系绳的收放控制机械臂臂身运动至目标姿态。
8、进一步，机械臂臂身由多节机械臂基本单元叠加组成，每节机械臂基本单元包括公对接环、母对接环、波纹管主体和固定环，每节机械臂基本单元的根部为母对接环，末端为公对接环，波纹管主体在公对接环和母对接环之间延伸，波纹管主体采用柔性材料制成，每层外径的部分与固定环连接。
9、进一步，所述固定环外周设有系绳固定部，所述系绳固定部沿固定环的圆周向外突出。
10、进一步，公对接环和母对接环可彼此插入后旋转至锁死，完成上下两个机械臂基本单元之间、以及机械臂臂身与支撑支架之间、机械臂臂身与末端执行器之间的配合连接。
11、进一步，每个公对接环上设置有公插板和公插槽结构，每个母对接环上设置有与公插板配合的母插槽结构，以及与公插槽配合的母插板结构，使得公对接环和母对接环可彼此插入后旋转至锁死。
12、进一步，系绳从电机组出发，经过支撑支架后，穿过每层固定环上的定位孔，固定在每节基本单元的末端公对接环上，每节机械臂基本单元上轴向均匀分布三根系绳，三节单元共设有9根系绳，分别与9组电机组相连。
13、进一步，末端执行器包括机械爪支架、长连杆、短连杆、三根机械爪、连接盘和母对接环组成，母对接环连接在机械爪支架上，用于和机械臂臂身末端的公对接环相连；三根机械爪与机械爪支架通过长连杆、短连杆和连接盘铰接，驱动连接盘上下移动，当连接盘向下移动时，实现末端执行器的抓握动作，连接盘向上移动时，实现末端执行器的松开动作。
14、另一方面，本专利技术提供一种绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂的驱控系统，包括若干个机械臂基本单元，所述机械臂基本单元为上述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，对于每个机械臂基本单元，当控制一侧系绳收紧，所述机械臂基本单元会在该绳作用点与轴线所在平面弯曲；当控制两侧系绳收紧，机械臂基本单元会在另一侧绳作用点与轴线所在平面弯曲；当控制三侧的系绳同步收紧，机械臂基本单元将沿轴线压缩；通过分别控制不同系绳的长度，实现机械臂基本单元的弯曲和变形；对于柔性机械臂整体，通过九组电机的旋转，控制九根系绳的长度变化，实现三节机械臂基本单元的不同姿态，从而控制柔性机械臂运动。
15、本专利技术的有益效果是：
16、（1）变形连续稳定：本专利技术设计的柔性机械臂各节机械臂基本单元的刚度相等，可实现各个方向自由度的连续变形，单节机械臂基本单元的最大弯曲角度超过90度，且可实现稳定变形不易在运动种产生大量不可控振动；
17、（2）驱动装置安全轻便：本专利技术利用电机驱动系绳完成机械臂的控制，不同于传统柔性机械臂的气动驱动，需要大型的气泵驱动，不仅质量大而且危险系数高；本专利技术所使用的电机只需要提供电力，且安全可靠性高，可适用于空间站等空间环境；
18、（3）重复定位精度高：本专利技术通过贯穿在固定环的系数完成机械臂的精确控制，在给定系绳长度后机械臂的姿态也随之确定，不同于气体驱动等形式，本专利技术在给定相同的控制指令后，机械臂的姿态误差较小，能够得到足够高的结构重复定位精度。
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1.绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂包括固定驱动机构、机械臂臂身和末端执行器，其中：
2.根据权利要求1所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述电机组包括9组电机，9组电机分布设置在公对接环周围。
3.根据权利要求2所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述电机由电机本体、舵盘和电机支架组成，系绳缠绕固定在舵盘上，再通过支撑支架上的导向槽轮连接机械臂臂身；通过对系绳的收放控制机械臂臂身运动至目标姿态。
4.根据权利要求1所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，机械臂臂身由多节机械臂基本单元叠加组成，每节机械臂基本单元包括公对接环、母对接环、波纹管主体和固定环，每节机械臂基本单元的根部为母对接环，末端为公对接环，波纹管主体在公对接环和母对接环之间延伸，波纹管主体采用柔性材料制成，每层外径的部分与固定环连接。
5.根据权利要求4所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述固定环外周设有系绳固定部，所述系绳固定部沿固定环的圆周向外突出。
6.根据权利要求5所述
7.根据权利要求6所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，每个公对接环上设置有公插板和公插槽结构，每个母对接环上设置有与公插板配合的母插槽结构，以及与公插槽配合的母插板结构，使得公对接环和母对接环彼此插入后旋转至锁死。
8.根据权利要求7所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，系绳从电机组出发，经过支撑支架后，穿过每层固定环上的定位孔，固定在每节机械臂基本单元的末端公对接环上，每节机械臂基本单元上轴向均匀分布三根系绳，三节单元共设有9根系绳，分别与9组电机相连。
9.根据权利要求8所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，末端执行器包括机械爪支架、长连杆、短连杆、三根机械爪、连接盘和母对接环组成，母对接环连接在机械爪支架上，用于和机械臂臂身末端的公对接环相连；三根机械爪与机械爪支架通过长连杆、短连杆和连接盘铰接，驱动连接盘上下移动，当连接盘向下移动时，实现末端执行器的抓握动作，连接盘向上移动时，实现末端执行器的松开动作。
10.绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂的驱控系统，其特征在于，所述驱动系统包括根据权利要求1-9任一项所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，对于机械臂中的每个机械臂基本单元，当控制一侧系绳收紧，所述机械臂基本单元会在该绳作用点与轴线所在平面弯曲；当控制两侧系绳收紧，机械臂基本单元会在另一侧绳作用点与轴线所在平面弯曲；当控制三侧的系绳同步收紧，机械臂基本单元将沿轴线压缩；通过分别控制不同系绳的长度，实现机械臂基本单元的弯曲和变形；对于柔性机械臂整体，通过九组电机组的旋转，控制九根系绳的长度变化，实现三节机械臂基本单元的不同姿态，从而控制柔性机械臂运动。
...【技术特征摘要】
1.绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂包括固定驱动机构、机械臂臂身和末端执行器，其中：
2.根据权利要求1所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述电机组包括9组电机，9组电机分布设置在公对接环周围。
3.根据权利要求2所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述电机由电机本体、舵盘和电机支架组成，系绳缠绕固定在舵盘上，再通过支撑支架上的导向槽轮连接机械臂臂身；通过对系绳的收放控制机械臂臂身运动至目标姿态。
4.根据权利要求1所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，机械臂臂身由多节机械臂基本单元叠加组成，每节机械臂基本单元包括公对接环、母对接环、波纹管主体和固定环，每节机械臂基本单元的根部为母对接环，末端为公对接环，波纹管主体在公对接环和母对接环之间延伸，波纹管主体采用柔性材料制成，每层外径的部分与固定环连接。
5.根据权利要求4所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，所述固定环外周设有系绳固定部，所述系绳固定部沿固定环的圆周向外突出。
6.根据权利要求5所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，公对接环和母对接环彼此插入后旋转至锁死，完成上下两个机械臂基本单元之间、以及机械臂臂身与支撑支架之间、机械臂臂身与末端执行器之间的配合连接。
7.根据权利要求6所述的绳驱波纹管结构大变形柔性机械臂，其特征在于，每个公对接环上设置有公插板和公插槽结构，每个母对接环上设置有与...
【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，林瑞，吴雪松，付康佳，余孙全，张琦，许同林，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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