[发明专利]一种机械臂、机械臂的控制方法及机器人

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制领域，更具体的说，涉及一种机械臂、机械臂的控制方法及机器人。

背景技术

机械臂是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，由这种机械臂构成的机器人系统由多关节连结并且允许在二维或三维空间进行运动或使用线性位移移动。

常规现有技术中，机械臂一般使用一些刚度很强的材料如金属制造，而且驱动电机都直接安装在机械臂上，因此机械臂运动时的惯量会很大而且在开环控制的情况下缺乏顺应性，使得在设计过程中对机械臂的控制增加了难度。除此之外，当这种利用金属制造的机械臂与人或其他对象相互接触时或者工作时容易因发生碰撞而导致较大的伤害。机械臂的碰撞问题在服务机器人领域中显得更为重要，因工作环境会存在很多不确定性以及需要经常与人相互动，从而增加了非预期的碰撞风险。针对这个问题，公开日为2012年8月7日，公开号为US8234949的美国授权发明专利提出了以钢丝传动的方法驱动机械臂的关节，其伺服电机能安装在机械臂的底座以减轻机械臂运动时的惯量。但此类机械臂的结构件仍使用刚性材料制造，因此仍存在一定的碰撞伤害性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的机械臂在服务机器人的过程中安全性不足的问题，提供一种安全度高的机械臂，该机械臂由气囊支撑并以拉索的方式驱动，从而大大地减轻了机械臂的惯量以及增加了该机械臂的顺应性，使得机械臂的使用更加安全而且更加美观。

为了达到上述目的，本发明一方面提供一种机械臂，机械臂包括至少一个伺服电机、封闭式的气囊、至少一条绳索，气囊包括至少一个关节，每一绳索的一端连接其中一关节的末端，另一端与其中一伺服电机连接，通过伺服电机调节绳索的长度来控制关节的姿态。

根据本发明的一个实施例，机械臂包括至少两条绳索，每一绳索的一端连接其中一关节的末端，另一端与其中一伺服电机连接，且每个关节均由至少两条绳索控制，每个关节各条绳索的长度控制相互耦合，以控制关节的姿态。

根据本发明的一个实施例，机械臂包括至少两个伺服电机、每一伺服电机独立地控制一个绳索。

根据本发明的一个实施例，关节位置的横截面积小于气囊其它位置的横截面积。

根据本发明的一个实施例，机械臂还包括用于嵌套绳索的套管，套管均设置在气囊的内部，每一套管的入口固定在其中一关节的顶端，其出口固定在机械臂的根部。

根据本发明的一个实施例，气囊包括连接在一起的至少两个关节，关节的连接方式为树状连接方式、环形状连接方式、或串联连接方式。

根据本发明的一个实施例，关节包括单自由度关节，单自由度关节由两条绳索控制，且两条绳索位置在关节的横截面中以180度平分。

根据本发明的一个实施例，关节包括两自由度关节，两自由度关节由至少三条绳索控制，且两自由度关节中的各条绳索的位置在关节的横截面中以小于180度的角度组合划分。

根据本发明的一个实施例，两自由度关节中的各条绳索的位置在关节的横截面中以绳索的条数平分。

根据本发明的一个实施例，机械臂包括用于给气囊充气的气泵、用于检测空气压力的气压传感器以及用于接收气压指令的气压控制器，气压控制器接收气压指令和由气压传感器发出的压力信号后，由气泵对气囊中的气压进行控制使其气压与气压指令一致；机械臂还包括姿态控制器，用于控制伺服电机调节绳索的长度来控制关节的姿态。

根据本发明的另一个方面，提供一种机械臂的控制方法，包括以下步骤：

对气压控制器发出气压指令，并由气压传感器检测空气压力并发出压力信号；

气压控制器接收气压指令和压力信号后，由气泵对气囊充气，并且由气泵或气囊上的气阀对气囊中的气压进行控制，使其气压与气压指令一致；

调整好气囊内的气压后，发出姿态指令；

姿态控制器接收姿态指令，控制每一伺服电机根据姿态指令调整每一绳索的长度，使得由绳索控制的关节的姿态与姿态指令相一致。

根据本发明的又一个方面，提供一种机器人，包括如上述技术方案所述的机械臂。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明的机械臂采用了封闭式的不可伸展的气囊为机械臂起支撑作用，大大的降低了机械臂在工作过程中与其他接触物碰撞而带来的危害性，保证了机械臂工作的安全性，除此之外，这种机械臂在不工作的时候可以收缩气囊，减小了机械臂的占用空间，便于携带与运输；