专利名称：一种机械臂、机械臂的控制方法及机器人的制作方法
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(I)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；(2)本发明机械臂采用了多段关节的机械臂设计，其中关节与关节之间相互独立操控，不需要受其他关节的活动而做出相应的调节，当多段关节通过适当的组合后具有高度模仿人类手臂的活动能力；(3)本发明的机械臂采用的关节可以有多个自由度，即单个关节可以由多条绳索来控制，这样构成的关节比现有技术中单自由度的关节更加灵活，可以实现机械臂更加复杂的活动，最终实现机器人更多的功能；(4)本发明的机械臂将所有绳索设置于气囊内部，使得机械臂操控流程更加简洁，且避免了因大量绳索外露于机械臂影响机械臂的外观，使得使用该种机械臂的机器人更加美观。(5)本发明套管的走线从关节内部，特别是中心穿过能大大减小套管因关节活动而需预留的长度。
图1是本发明第一实施方式的机械臂的结构示意图2是本发明第二实施方式的机械臂的结构示意图；图3是本发明多段关节的树状连接方式示意图；图4是本发明多段关节的环形状连接方式示意图；图5是本发明多段关节的串联连接方式示意图；图6A是本发明两自由度关节的绳索分布俯视图；图6B是本发明两自由度关节的绳索分布正视图；图6C是本发明两自由度关节的绳索分布侧视图；图7A是本发明单自由度关节的绳索分布俯视图；图7B是本发明单自由度关节的绳索分布正视图；图7C是本发明单自由度关节的绳索分布侧视图；图8是本发明机械臂关节的活动示意图；图9是本发明气压控制系统的结构示意图；图10是本发明姿态控制系统的结构示意图；图11是本发明机械臂控制方法的流程示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。如图1所不,在本发明的第一实施方式中,机械臂包括至少一个伺服电机10、用于给气囊充气的气泵21、用来释放处于非工作状态的气囊的气阀22、用于检测空气气压的气压传感器23、封闭式的气囊30以及至少一条绳索40，其中气泵21、气阀22以及气压传感器23构成调整气囊30内部气压的充气管道，充气管道设置在机械臂的根部附近，气囊30包括连接在一起的至少一个关节，比如，图1中的第一关节GJ1、还有没在图1中画出的第二关节、第三关节等等，每个关节均由至少一条绳索来控制，其中每一绳索40的一端连接其中一关节的末端401，另一端与其中一伺服电机10连接，通过伺服电机10调节绳索40的长度来控制关节的姿态，当伺服电机10收紧绳索40时，关节向一边移动，当伺服电机10放松绳索40时，关节回复原位。所有绳索均设置在该气囊30的内部，本发明的机械臂还包括用于嵌套绳索40的多根套管50，其中每个套管50内均只嵌套一条绳索40，套管50可以弯曲，但是其在工作过程的时候横截面积不发生改变，主要是为了保证绳索40拉伸的顺畅。本发明通过将伺服电机10设置在机械臂的根部位置，减轻了机械臂运动时的惯量，使得机械臂更加容易控制与操作。如图2所示，在本发明的第二实施方式中，机械臂包括至少两个伺服电机10、用于给气囊充气的气泵21、用来释放处于非工作状态的气囊的气阀22、用于检测空气气压的气压传感器23、封闭式的气囊30以及至少两条绳索40，其中气泵21、气阀22以及气压传感器23构成调整气囊30内部气压的充气管道，充气管道设置在机械臂的根部附近，气囊30包括连接在一起的至少两个关节，比如，图2中的第一关节GJ1、第二关节GJ2，还有没在图2中画出的第三关节、第四关节等等，每个关节均由至少两条绳索来控制，其中每一绳索40的一端连接其中一关节的末端401，另一端与其中一伺服电机10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。所有绳索均设置在该气囊30的内部，本发明的机械臂还包括用于嵌套绳索40的多根套管50，其中每个套管50内均只嵌套一条绳索40，套管50可以弯曲，但是其在工作过程的时候横截面积不发生改变，主要是为了保证绳索40拉伸的顺畅。本发明通过将伺服电机10设置在机械臂的根部位置，减轻了机械臂运动时的惯量，使得机械臂更加容易控制与操作。在上述两个实施方式中，气囊30由不可伸展或伸展度低的材料制成，气囊30通过气泵21进行充气，气压传感器23安装在充气管道中以检测空气压力。如图2所示，关节位置的横截面会做得比其他位置小，使得关节处的位置能较容易被弯曲。本发明中的所有绳索由不可伸延的材料构成，其中绳索40穿过套管50，套管50的入口 502固定在关节的顶端，而套管50的出口 501固定在整个机械臂的一边，如根部位置。套管50由只可弯曲、不可改变其横截面形状的材料构成。套管50的出口 501位置与伺服电机10的距离固定，使伺服电机10拉出绳索的长度与关节位置中绳索的收缩长度一致。本发明中的关节的组合可以以串联的连接方式、树状的连接方式、环形状的连接方式或者上述三种连接方式的任意组合组成，其中关节之间的气路都是贯通的，而套管50都会通过其他关节的中心最后到达机械臂的根部。相对从机械臂外部走，套管50的走线从关节中心穿过能大大减小套管50因关节活动而需预留的长度。下面以第二实施方式为例对本发明的原理和工作方式进行具体说明其中的机械臂关节的种类包括万向(两自由度)关节、单自由度关节。图6A至图6C显示了两自由度关节的结构，图7A至图7C显示了单自由度关节的结构。两自由度关节由最少三条绳索控制，利用三条绳索控制的情况下，其中一种分布如图6A中的横截面所示以120度平分，当然还有其他的分布方式，其角度可以随意组合但少于180度。单自由度关节的绳索位置如图7A中的横截面所示能以180度平分，并且设置在关节的凹陷那侧，如图7C中的侧视图所示，否则不能有效地控制关节的活动，其中每侧的绳索安装数量可多于一条。本发明中机械臂中的关节组合可以由多个单自由度关节组合而成，也可以是多个两自由度关节组合而成，还可以是由单自由度和两自由度关节混合组合而成，这些可以根据实际情况进行设置。本发明机械臂主要由气压控制系统和姿态控制系统组成。如图9和图10所示，该气压控制系统包括封闭式的气囊30、用于给气囊30充气的气泵21、用于检测空气压力的气压传感器23以及用于接收气压指令的气压控制器60，气压控制器60接收气压指令和由气压传感器23发出的压力信号后，由气泵21或气阀22对气囊中的气压进行控制使其气压与气压指令一致，该气囊30包括相互连通的多个关节；姿态控制系统包括至少两个伺服电机10、至少两条绳索40、以及姿态控制器70，每个关节均有至少两条绳索控制，每个关节各条绳索的长度控制相互耦合；每一伺服电机10独立地控制每一绳索40，通过姿态控制器70控制每一伺服电机10调整其所控制的绳索40的长度，从而使得由至少两条绳索40控制的关节的姿态与姿态指令相一致。如图11所示，机械臂的操控流程包括以下步骤SlOl :对气压控制器发出气压指令，并由气压传感器23检测空气压力并发出压力信号;S102 :气压控制器接收气压指令和压力信号后，由气泵21对气囊30充气，并且由气泵21或气囊30上的气阀22对气囊中的气压进行控制，使其气压与所述气压指令一致；气压的调整能改变整个机械臂的刚性，从而改变机械臂的顺应性，气压控制系统可以在机械臂使用时一直启动，也可以在机械臂使用前先启动，确保气压正确后关闭，然后才运用机械臂以节省电源；S103 :调整好气囊30内的气压后，发出姿态指令；S104 :姿态控制器70接收姿态指令，控制每一伺服电机10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。每个关节的绳索40的长度控制都是耦合的，当一个关节需要改变姿态时，其关节上每一根绳索都需要做出相应的变动，例如，在单自由度关节中的两个绳索，如果其中一根绳索执行放松命令时，那么另一根绳索则执行拉紧的命令，保证此处关节的顺利活动，若其他关节不用改变姿态时，其绳索的长度保持不变。本发明的这种机械臂可以应用于机器人上，能够使得机器人活动自如而且安全性极闻。本发明的气囊可以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，下面分别以几个实施例进行说明实施例1如图3所示，本实施例中的机械臂的多个关节组合为树状的连接方式，该机械臂包括机械臂根部DB、第一关节GJ1、第二关节GJ2、第三关节GJ3、第四关节GJ4以及图3没有画出的气泵21、气阀22、气压传感器23、气压控制器60、封闭式的气囊30、多个伺服电机10以及多条绳索40，本实施例中的关节不仅仅是四个，可以是更多个关节，其中机械臂根部DB、第一关节GJ1、第二关节GJ2、第三关节GJ3以及第四关节GJ4依次相连，每个关节均由至少两条绳索来控制，其中每一绳索40的一端连接其中一关节的末端401，另一端与其中一伺服电机10连接，且所有绳索均设置在该气囊30的内部或者中央，本发明的机械臂还包括用于嵌套绳索40的多根套管50，其中每个套管50内均只嵌套一条绳索40，套管50可以弯曲，但是其在工作过程的时候横截面积不发生改变。本实施例中，还可以有多个关节，不仅仅是四个关节，所有的关节中有一部分关节是横向设置，还有的关节是纵向设置。例如，如图3所示，第一关节GJl和第三关节GJ3横向设置，第二关节GJ2和第四关节GJ4纵向设置。本实施例中，所有关节的类型可以是单自由度关节，也可以是两自由度关节，具体情况根据实际而定，本实施例中不做具体限定。本实施例中的机械臂主要由气压控制系统和姿态控制系统组成。气压控制系统可以在机械臂使用时一直启动，也可以在机械臂使用前先启动，确保气压正确后关闭，然后才运用机械臂以节省电源。气压控制器60接收气压指令和气压传感器23检测到的压力信号，然后控制气泵21及气阀22对气囊30中的气压进行控制使之与气压指令一致。气压的调整能改变整个机械臂的刚性，从而改变机械臂的顺应性。姿态控制器70通过控制伺服电机10调整关节上绳索40的长度从而使机械臂的姿态与指令相配合。每个关节的绳索的长度控制都是耦合的，当一个关节需要改变姿态时，其关节上每一根绳索都需要做出相应的变动。若其他关节不用改变姿态时，其绳索的长度保持不变。实施例2
如图4所示，本实施例中的机械臂的多个关节组合为环形状的连接方式，该机械臂包括机械臂根部DB、第一关节GJ1、第二关节GJ2、第三关节GJ3、第四关节GJ4、第五关节GJ5、第六关节GJ6以及图4没有画出的气泵21、气阀22、气压传感器23、气压控制器60、封闭式的气囊30、多个伺服电机10以及多条绳索40，本实施例中的关节不仅仅是六个，可以是更多个关节，其中第一关节GJ1、第二关节GJ2、第三关节GJ3、第四关节GJ4、第五关节GJ5以及第六关节GJ6共同构成环形状的关节组合，也可以为利用其中三个或者三个以上的关节共同构成环形状的关节组合，也可以组合成多个连接在一起的环形状关节组合，具体根据实际情况而定。同样，本实施例中，所有关节的类型可以是单自由度关节，也可以是两自由度关节，具体情况根据实际而定，本实施例中不做具体限定。本实施例中的其他技术方案与实施例1相同，在此不再赘述。实施例3如图5所示，本实施例中的机械臂的多个关节组合为串联的连接方式，该机械臂包括依次相连的机械臂根部DB、第一关节GJl、第二关节GJ2、第三关节GJ3，本实施例中的关节不仅仅是三个，可以是更多个，其中，所有关节要么都是横向设置，要么纵向设置。本实施例中的其他技术方案均与实施例1相同，在此不再赘述。综上所述，本发明提供的机械臂采用封闭式的气囊作为支撑物，降低了机械臂在工作和运输的时候与其他接触物碰撞所带来的危害，还采用多段具有多自由度的关节组合来控制机械臂的运动以及绳索内藏于气囊内，使得机械臂更加灵活，外观也更加美化。本发明的机械臂还可以应用于运动机器人或者替身机器人上。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种机械臂，其特征在于，所述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，所述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，通过所述伺服电机调节绳索的长度来控制所述关节的姿态。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述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，以控制所述关节的姿态。
3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述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。
4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述关节位置的横截面积小于所述气囊其它位置的横截面积。
5.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括用于嵌套所述绳索的套管，所述套管均设置在所述气囊的内部，每一所述套管的入口固定在其中一关节的顶端，其出口固定在所述机械臂的根部。
6.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述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。
7.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述关节包括单自由度关节，所述单自由度关节由两条绳索控制，且两条绳索位置在所述关节的横截面中以180度平分。
8.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述关节包括两自由度关节，所述两自由度关节由至少三条绳索控制，且所述两自由度关节中的各条绳索的位置在所述关节的横截面中以小于180度的角度组合划分。
9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述两自由度关节中的各条绳索的位置在所述关节的横截面中以所述绳索的条数平分。
10.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括用于给所述气囊充气的气泵、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，所述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，由所述气泵对所述气囊中的气压进行控制使其气压与气压指令一致；所述机械臂还包括姿态控制器，用于控制所述伺服电机调节绳索的长度来控制所述关节的姿态。
11.一种机械臂的控制方法，其特征在于，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； 气压控制器接收所述气压指令和压力信号后，由气泵对气囊充气，并且由气泵或所述气囊上的气阀对气囊中的气压进行控制，使其气压与所述气压指令一致； 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所述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所述姿态指令相一致。
12.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-10中任一项所述的机械臂。
全文摘要
一种机械臂、机械臂的控制方法及机器人。本发明涉及自动控制领域，提供一种机械臂，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所述关节的姿态。在优选实施方式中，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，以控制所述关节的姿态。本发明提供一种安全度高的机械臂，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。
文档编号B25J9/16GK103009401SQ20121054429
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者林天麟, 阎镜予 申请人:安科智慧城市技术(中国)有限公司