[发明专利]一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法

说明书

本发明涉及一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法。本机器人包括PC（Ⅰ），控制驱动单元（Ⅱ），一个机械臂单元（Ⅲ）。柔性杆机械臂装置的灵感来自于对大自然中鱼鳍运动过程的观察，该装置共有六根柔性杆组成，三根主动驱动杆，三根从动辅助杆，利用单杆独立驱动的设计思路，使各杆产生位移差，从而末端位置发生变化，并通过控制系统改变位移差值得大小，使末端执行器在系统允许变化范围内到达目标位置。本发明专利提出的柔性杆驱动的曲率连续变化机器人装置的主题有柔性杆组成，相对于传统机器人臂来讲，其质量轻，成本低，运动空间大，空间任意方向弯曲，具有较高的实用和科研价值前景。

技术领域

本发明涉及一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，属于机器人领域，特别是一种柔性机器人及其控制方法，具有较高的科研价值。

技术背景

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

大自然一直是人类发明家和工程师们取之不尽、用之不竭的灵感之源。计算机控制的机械臂也越来越复杂和灵巧，逐步开始向伸缩性和柔韧度的方向发展，受生物学启发的仿生机器人研究正如火如荼的开展。象鼻、章鱼触手以及蛇是一类非常独特的生物体结构，能够向多个方向弯曲，具有很好的柔性，并且具有较强的抓取、操作和避障功能。德国、美国、日本等各国均在柔性驱动的曲率连续变化机器人领域有诸多研究成果，已经有一些柔性机械装置被研制出来，例如Clemson 大学的OctArm 机械臂、OC Robotics 公司的蛇形机器人、Vanderbilt大学的多脊柱蛇形机器人等。

2011年德国费斯托(Festo) 公司模仿大象鼻子的概念研制了一种利用气体驱动的仿象鼻柔性机械臂。该装置由多个沿着曲线以堆叠的方式布置的操纵组件构成，每个操纵组件又分别包含多个联接板和多个流体腔。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，是利用电机直接驱动柔性杆而使末端位置到达目标位置的连续柔性机械臂及其控制方法，具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，具有较好的柔性，同时该实验装置还是一个开放的平台。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性杆驱动的曲率连续变化机器人及其控制方法，PC（Ⅰ），控制驱动单元（Ⅱ），一个机械臂单元（Ⅲ），其特征在于:所述PC（Ⅰ）与控制驱动单元（Ⅱ）之间采用的是并口线进行连接与通信，控制驱动单元（Ⅱ）与机械臂单元（Ⅲ）中的步进电机对应连接。该装置使用PC进行程序的编写，通过并行传输的方式将控制指令传输至控制驱动单元（Ⅱ），分别控制机械臂单元（Ⅲ）的步进电机，电机转动带动模组滑块移动，配合陀螺仪和编码器数据的读取改变三根柔性杆的长度，使机械臂装置进行运动；

所述机械臂单元（Ⅲ）包括机械手抓（1），陀螺仪（2），末端金属圆盘（3），柔性玻璃纤维杆（5,6），星型结构（4，7，8），铝合金框架（11），滑轮固定板（14,15），模组（含步进电机及编码器）（9），三组限位开关（分别位于三个模组两端）（10），杆固定支座（18），六棱柱结构体（17），橡胶底座（12），螺栓螺母等；