一種用於連續型機器人推進與位姿的調整裝置及調整方法與流程
2023-10-18 01:32:54
技術領域
本發明涉及自動控制技術領域，具體涉及一種用於連續型機器人推進與位姿的調整裝置及調整方法。
背景技術：
連續型機器人由單段或多段柔性結構聯接構成，其模仿了象鼻、章魚臂和哺乳類動物的舌頭等生物器官柔順運動的特點，可以柔順而靈活地改變自身形狀。與傳統剛性工業機器人相比，連續性機器人更適合應用到塌陷建築物、彎曲管道、人體消化道等複雜非結構環境中，應用前景廣闊。
目前連續型機器人只有其末端能夠主動彎曲，其他部分並不具備主動彎曲的功能，在介入和通過彎曲通道的過程中，由於外部彎曲通道的複雜性，連續型機器人難免會和外部環境之間發生幹涉或碰撞，輕則不能精確地介入彎曲通道完成指定的任務，重則會給被介入對象如纖弱的消化道、血管等人體器官帶來損傷，從而給病人帶來很大的痛苦；或在諸如塌陷建築物等危險環境中會破壞連續型機器人的本體結構。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種用於連續型機器人推進與位姿的調整裝置，該裝置可以在介入過程中改變連續型機器人的整體位置與姿態。
為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：包括直線推進部件、設置在直線推進部件上的直線調整部件、設置在直線調整部件上的旋轉調整部件以及設置在旋轉調整部件上的夾持部件，所述的直線推進部件驅動連續型機器人向彎曲通道做前進或後退的直線運動，所述的直線調整部件驅動連續型機器人相對於彎曲通道做上下平移的直線運動，所述的旋轉部件驅動連續型機器人相對於彎曲通道做旋轉運動，所述的夾持部件用來夾持連續型機器人；所述的直線推進部件上設有連接直線調整部件的第一滑塊導軌機構以及驅動直線調整部件實現直線運動的第一電機絲槓螺母機構；所述的直線調整部件上設有連接旋轉調整部件的第二滑塊導軌機構以及驅動旋轉調整部件實現直線運動的第二電機絲槓螺母機構；所述的旋轉調整部件與夾持部件之間通過軸與軸承的配合方式連接，所述的旋轉調整部件上還設有驅動夾持部件形成旋轉運動的第一電機齒輪機構。
所述的直線推進部件包括水平方向布置的底座、設置在底座上的第一滑塊導軌機構及第一電機絲槓螺母機構；所述的第一滑塊導軌機構包括沿底座長度方向平行設置的兩條第一導軌以及分別設置在第一導軌上的第一滑塊，所述的第一滑塊與第一導軌之間構成滑動配合，且第一滑塊與直線調整部件相固定；所述的第一電機絲槓螺母機構包括第一絲槓、與第一絲槓相配合的第一螺母、驅動第一絲槓轉動的第一電機、連接第一電機與第一絲槓的第一聯軸器、固定第一電機的第一電機支架，所述第一絲槓的設置方向與第一導軌相平行。
所述的直線調整部件包括水平方向布置的直線調整支架、設置在直線調整支架上的第二滑塊導軌機構及第二電機絲槓螺母機構；所述的直線調整支架分別與第一滑塊及第一螺母相固定，所述的第二滑塊導軌機構包括沿底座寬度方向平行設置的兩條第二導軌以及分別設置在第二導軌上的第二滑塊，所述的第二滑塊與第二導軌之間構成滑動配合，且第二滑塊與旋轉調整部件相連；所述的第二電機絲槓螺母機構包括第二絲槓、與第二絲槓相配合的第二螺母、驅動第二絲槓轉動的第二電機、連接第二電機與第二絲槓的第二聯軸器、固定第二電機的第二電機支架，所述第二絲槓的設置方向與第二導軌相平行。
所述的旋轉調整部件包括水平方向布置的旋轉調整支架以及設置在旋轉調整支架上的第一電機齒輪機構，所述的旋轉調整支架分別與第二滑塊及第二螺母相固定，所述的旋轉調整支架上設有鉛垂方向布置的第一連接軸，第一連接軸上設有角接觸軸承，所述的角接觸軸承與夾持部件相連，所述的第一電機齒輪機構包括第三電機、與第三電機輸出軸相連的第一主動齒輪以及與第一主動齒輪相嚙合的第一從動齒輪,所述的第一電機齒輪機構驅動夾持部件繞第一連接軸的軸線做旋轉運動。
所述的夾持部件包括對合設置的左夾持架和右夾持架，所述左夾持架與右夾持架的一端通過第二連接軸連接，且左夾持架與右夾持架對合時形成封閉的環形結構，所述的左夾持架的下方設有連接旋轉調整支架的空心柱狀連接部，該連接部的外壁與第一從動齒輪相連，該連接部的內壁與角接觸軸承的外壁相連，所述的夾持部件還包括驅動右夾持架轉動以實現夾持部件打開或閉合的第二電機齒輪機構，所述的第二電機齒輪機構包括第四電機、與第四電機輸出軸相連的第二主動齒輪以及與第二主動齒輪相嚙合的第二從動齒輪，所述的第二從動齒輪設置在第二連接軸上，所述的第二電機齒輪機構驅動右夾持架繞第二連接軸的軸線做旋轉運動。
所述的第一導軌為截面呈方形的塊狀導軌，所述第一滑塊的截面呈倒凹形，所述的第一滑塊通過第一滑塊上設置的鋼珠與第一導軌相接觸並沿第一導軌限定的方向滑動。
由上述技術方案可知，本發明通過夾持部件抓緊連續型機器人，利用直線推進部件的運動推動連續型機器人進入彎曲通道，利用直線調整部件和旋轉調整部件的運動進一步調整連續型機器人相對於彎曲通道的整體姿態；該裝置在很大程度上減少了連續型機器人與彎曲通道之間的位置幹涉與碰撞，提高了連續型機器人通過彎曲通道的通過性，拓展了連續型機器人的應用範圍。
本發明的另一目的在於提供一種用於連續型機器人推進與位姿的調整方法，包括以下步驟：
（1）、通過夾持部件夾緊連續型機器人；
（2）、通過直線推進部件推動連續型機器人向彎曲通道運動；
（3）、判斷連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距，如位置間距滿足誤差要求，則進入下一步驟；反之則利用直線調整部件和旋轉調整部件來調節連續型機器人的位置和姿態，並返回重新判斷連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距；
（4）、判斷連續型機器人是否完全介入彎曲通道，判斷結果為是則完成推進，反之則返回步驟（2）。
所述的連續型機器人由多段柔性關節構成，各柔性關節能實現彎曲運動以及相對後一節柔性關節的軸線實現旋轉運動。
所述的步驟（1）中，第四電機帶動第二主動輪及第二從動輪轉動，從而驅動右夾持架繞第二連接軸的軸線旋轉，以抓緊連續型機器人。
由上述技術方案可知，本發明提供的方法可以調節尚未完全進入彎曲通道的連續型機器人的首姿態角和首端點的位置，從而可以進一步調整連續型機器人整體相對於彎曲通道的形態，避免連續型機器人與彎曲通道之間的位置幹涉與碰撞。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明中直線推進部件的結構示意圖；
圖3是本發明中直線調整部件的結構示意圖；
圖4是本發明中旋轉調整部件與夾持部件的結構示意圖；
圖5是本發明中旋轉調整部件去除第一從動齒輪後的結構示意圖；
圖6是本發明中旋轉調整部件的左夾持架與右夾持架的連接結構示意圖；
圖7是本發明中旋轉調整部件的爆炸圖；
圖8是本發明連續型機器人的結構示意圖；
圖9是本發明直線推進部件推進連續型機器人的結構示意圖；
圖10是未採用本發明時連續型機器人在彎曲通道內的結構示意圖；
圖11是採用本發明時連續型機器人在彎曲通道內的結構示意圖；
圖12是本發明調整方法的流程框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
如圖1所示的一種用於連續型機器人推進與位姿的調整裝置，包括直線推進部件1、設置在直線推進部件1上的直線調整部件2、設置在直線調整部件2上的旋轉調整部件3以及設置在旋轉調整部件3上的夾持部件4，直線推進部件1通過螺栓固定在外界環境上，起到與外界直接接觸以及支撐其他部件的作用；直線推進部件1驅動連續型機器人100向彎曲通道200做前進或後退的直線運動，直線調整部件2驅動連續型機器人100相對於彎曲通道200做上下平移的直線運動，旋轉部件3驅動連續型機器人100相對於彎曲通道200做旋轉運動，夾持部件4用來夾持連續型機器人100；直線推進部件1上設有連接直線調整部件2的第一滑塊導軌機構以及驅動直線調整部件2實現直線運動的第一電機絲槓螺母機構；直線調整部件2上設有連接旋轉調整部件3的第二滑塊導軌機構以及驅動旋轉調整部件實現直線運動的第二電機絲槓螺母機構；旋轉調整部件3與夾持部件4之間通過軸與軸承的配合方式連接，旋轉調整部件4上還設有驅動夾持部件4形成旋轉運動的第一電機齒輪機構。
進一步的，如圖2所示，直線推進部件1包括水平方向布置的底座11、設置在底座11上的第一滑塊導軌機構12及第一電機絲槓螺母機構13；第一滑塊導軌機構12包括沿底座11長度方向平行設置的兩條第一導軌121以及分別設置在第一導軌121上的第一滑塊122，第一滑塊122與第一導軌121之間構成滑動配合，且第一滑塊122與直線調整部件2相固定；即第一滑塊導軌機構12負責連接下一部件，同時將下一部件的運動限制在沿第一導軌121延長的直線方向上；第一電機絲槓螺母機構13包括第一絲槓131、與第一絲槓131相配合的第一螺母132、驅動第一絲槓轉動131的第一電機133、連接第一電機133與第一絲槓131的第一聯軸器134、固定第一電機133的第一電機支架135，第一絲槓131的設置方向與第一導軌121相平行；即第一電機絲槓螺母機構13負責將第一電機的旋轉運動轉化為下一部件的直線運動，直線推進部件1負責驅動連續型機器人100向彎曲通道200做前進和後退的直線運動，同時作為下一級直線調整部件2、旋轉調整部件3以及夾持部件4的承載體。
優選的，第一電機支架135呈U字型，負責固定第一電機133，保證第一電機133運行時能穩定輸出扭矩；第一聯軸器呈圓筒型，負責將第一電機133的輸出軸與第一絲槓131聯接起來，將第一電機133的旋轉運動傳遞為第一絲槓131的旋轉運動；第一螺母132呈圓筒型，布置在第一絲槓131上，負責將第一絲槓131的旋轉運動轉化為直線調整部件2的直線運動。
進一步的，如圖3所示，直線調整部件2包括水平方向布置的直線調整支架21、設置在直線調整支架21上的第二滑塊導軌機構22及第二電機絲槓螺母機構23；直線調整支架21分別與第一滑塊122及第一螺母132相固定，第二滑塊導軌機構22包括沿底座11寬度方向平行設置的兩條第二導軌221以及分別設置在第二導軌221上的第二滑塊222，第二滑塊222與第二導軌221之間構成滑動配合，且第二滑塊222與旋轉調整部件3相連；即第二滑塊導軌機構22負責連接下一部件，同時將下一部件的運動限制在沿第二導軌221延長的直線方向上；第二電機絲槓螺母機構23包括第二絲槓231、與第二絲槓231相配合的第二螺母232、驅動第二絲槓231轉動的第二電機233、連接第二電機233與第二絲槓231的第二聯軸器234、固定第二電機233的第二電機支架235，第二絲槓231的設置方向與第二導軌221相平行；即第二電機絲槓螺母機構23負責將第二電機的旋轉運動轉化為下一部件的直線運動，直線調整部件2負責驅動連續型機器人100相對彎曲通道200做上下平移的直線運動，同時作為下一級旋轉調整部件3以及夾持部件4的承載體。
進一步的，如圖4、圖5所示，旋轉調整部件3包括水平方向布置的旋轉調整支架31以及設置在旋轉調整支架31上的第一電機齒輪機構32，旋轉調整支架31分別與第二滑塊222及第二螺母232相固定，即旋轉調整支架31通過第二滑塊導軌機構22與上一級的直線調整部件2中的直線調整支架21相連，通過螺栓與上一級的直線調整部件2中的第二螺母232相連；旋轉調整支架31上設有鉛垂方向布置的第一連接軸33，第一連接軸33上設有角接觸軸承34，角接觸軸承34與夾持部件4相連，即角接觸軸承34設置在第一連接軸33上，負責連接下一級的夾持部件4，並將夾持部件4的運動限制在繞第一連接軸軸線的旋轉方向上；第一電機齒輪機構32包括第三電機321、與第三電機321輸出軸相連的第一主動齒輪322以及與第一主動齒輪322相嚙合的第一從動齒輪323,第一電機齒輪機構32驅動夾持部件4繞第一連接軸33的軸線做旋轉運動；相嚙合的第一主動齒輪322與第一從動齒輪323設置在旋轉調整支架31上，並負責將第三電機321的旋轉運動轉化為下一級的旋轉運動。旋轉調整部件3負責驅動連續型機器人100相對彎曲通道200做繞第一連接軸軸線的旋轉運動，以調節連續型機器人100整體相對於彎曲通道200的形態，同時作為一下級夾持部件4的承載體。
進一步的，如圖4、圖6、圖7所示，夾持部件4包括對合設置的左夾持架41和右夾持架42，左夾持架41與右夾持架42的一端通過第二連接軸43連接，且左夾持架41與右夾持架42對合時形成封閉的環形結構；也就是左夾持架41與右夾持架42的一端採用類似鉸鏈合頁的結構並通過第二連接軸43相連；左夾持架41的下方設有連接旋轉調整支架31的空心柱狀連接部411，該連接部411的外壁與第一從動齒輪323相連，該連接部411的內壁與角接觸軸承34的外壁相連，夾持部件4還包括驅動右夾持架42轉動以實現夾持部件4打開或閉合的第二電機齒輪機構44，第二電機齒輪機構44包括第四電機441、與第四電機441輸出軸相連的第二主動齒輪442以及與第二主動齒輪442相嚙合的第二從動齒輪443，第二從動齒輪443設置在第二連接軸43上，第二電機齒輪機構44驅動右夾持架42繞第二連接軸43的軸線做旋轉運動。即左夾持架41負責實現繞第一連接軸的軸線旋轉，右夾持架42負責實現繞第二連接軸的軸線旋轉，並與左夾持架41對合起來形成環形結構，兩者相配合，起到打開和閉合夾持部件4以實現對連續性機器人100的鬆開與抓緊。
進一步的，第一導軌121為截面呈方形的塊狀導軌，第一滑塊122的截面呈倒凹形，第一滑塊122通過第一滑塊122上設置的鋼珠與第一導軌121相接觸並沿第一導軌121限定的方向滑動。第一滑塊導軌機構12用來連接直線推進部件與直線調整部件，一方面限制了各部件之間不需要的移動，另一方面保證了在指定方向上可以靈活地運動，不受其他方向上力和力矩的幹擾。第二導軌221與第二滑塊222的結構與第一導軌121及第一滑塊122相同，在此不再贅述。
本發明中調整裝置的工作過程如下：
首先，通過夾持部件夾緊連續型機器人；具體為：在第二電機齒輪機構旋轉運動的帶動下，夾持部件中的右夾持架繞第二連接軸的軸線旋轉，將連續型機器人抓緊，如圖8所示，該連續型機器人100由多段柔性關節110構成，各柔性關節110能實現彎曲運動和相對後一對柔性關節的軸線實現旋轉運動。
其次，如圖9所示，在直線推進部件中第一電機絲槓螺母機構的作用下，直線推進部件驅動連續型機器人沿直線向彎曲通道內運動一段距離X（距離X的長度應足夠小，以避免在推進過程中連續型機器人與彎曲通道發生幹涉），介入到彎曲通道中，計算此時的連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距，如位置間距滿足誤差要求，連續型機器人與彎曲通道不發生位置幹涉和碰撞，則直線推進部件推動連續型機器人繼續介入彎曲通道；反之則利用直線調整部件和旋轉調整部件的運動調節連續型機器人尚未完全進入彎曲通道的首端姿態角和首端點的位置，配合連續型機器人各關節末端主動彎曲和末端姿態角的改變，進一步調整連續型機器人相對於彎曲通道的整體姿態，之後再計算一次此時的連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距，判斷是否需要繼續調整,重複進行這一過程直到位置間距滿足誤差要求，以此最終完成一次推進；
最後，反覆進行上述動作，直到連接型機器人完全介入彎曲通道。
如圖10所示，連續型機器人100在不藉助其他裝置的條件下，只能靠其末端的主動彎曲和扭轉動作介入彎曲通道200時，圖8中的A、B、C三點會和彎曲通道200發生幹涉。如圖11所示，採用本裝置後，連續型機器人100則不會與彎曲通道200發生幹涉。
綜上所述，本發明提供了一種可推動連續型機器人進入彎曲通道，且在介入過程中可進一步改變連續型機器人整體姿態的裝置，該裝置通過調節連續型機器人尚未完全進入彎曲通道的首端姿態角和首端點位置，配合連續型機器人各關節末端主動彎曲和末端姿態角的改變，進一步調整連續型機器人介入彎曲通道時的姿態，減少了連續型機器人與彎曲通道之間的位置幹涉與碰撞，提高了連續型機器人穿過彎曲通道的通過性。
如圖12所示，本發明還提供了一種用於連續型機器人推進與位姿的調整方法，包括以下步驟：
（1）、通過夾持部件夾緊連續型機器人；
（2）、通過直線推進部件推動連續型機器人向彎曲通道運動；
（3）、判斷連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距，如位置間距滿足誤差要求，則進入下一步驟；反之則利用直線調整部件和旋轉調整部件來調節連續型機器人的位置和姿態，並返回重新判斷連續型機器人與彎曲通道之間的位置間距；
（4）、判斷連續型機器人是否完全介入彎曲通道，判斷結果為是則完成推進，反之則返回步驟（2）。
連續型機器人由多段柔性關節構成，各柔性關節能實現彎曲運動以及相對後一節柔性關節的軸線實現旋轉運動。
步驟（1）中，第四電機帶動第二主動輪及第二從動輪轉動，從而驅動右夾持架繞第二連接軸的軸線旋轉，以抓緊連續型機器人。
本發明的有益效果在於：本發明是一種由電機驅動，可推動連續型機器人進入彎曲通道，且在介入過程中可進一步改變連續型機器人整體姿態的裝置，具有調節效率高、作用效果明顯、結構緊湊、成本較低、適用範圍廣的特點。該裝置在很大程度上減少了連續型機器人與彎曲通道之間的位置幹涉與碰撞，提高了連續型機器人通過彎曲通道的通過性，降低了在諸如人體消化道檢測、管道檢測、廢墟搜救等多種場合中應用連續型機器人帶來的風險，增加了連續型機器人的實際工作空間及獨立性，拓展了連續型機器人的應用範圍。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。