一种可折叠充气式机械臂系统及其控制方法

1.本发明属于机器人技术领域，涉及一种充气式机械臂系统，具体涉及一种用于探测任务的可折叠充气式机械臂系统及其控制方法。


背景技术：

2.机器人已逐步取代人类成为各类危险环境下的有效探测工具，如强辐射高温核反应堆、高瓦斯浓度矿井、高压深海、随时可能坍塌的震后建筑等环境。其中，传统刚性机器人具有精度高、速度快等优点，并已形成较为成熟的制造及应用体系，但在轻质性、安全性、低成本性等方面存在一定劣势，使其难以满足对人机共融要求较高的探测应用需求。现有的探测装置包括传统刚性机械臂、无人机、轮/腿多足机器人等，虽然传统刚性机械臂已得到一定程度的应用，但仍存在以下制约因素：机构占用体积大、重量大、成本高、待机时间短，降低了系统的便携性、易用性；对环境的适应性较差，制约了系统的人机共融交互安全性；因此机械臂逐渐由刚性转变为柔性，制造出了很多仿生的机器人。蛙泳机器人、灵动机械手的关键部分均采用了人工肌肉驱动，柔性化的趋势随之而展开，但是现有的采用人工肌肉驱动的机械臂存在无法折叠、关节转动范围小，使用不是很灵活。


技术实现要素：

3.本发明需要解决的技术问题是：现有的柔性机械臂存在无法折叠、关节转动范围小，使用不灵活的问题，进而提供一种可折叠充气式机械臂系统。
4.本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
5.一种可折叠充气式机械臂系统，包括空气压缩机、控制柜、柔性机械臂、探测相机、遥操作手柄、动作捕获系统和系统安装面板；所述的空气压缩机、控制柜、遥操作手柄和动作捕获系统安装在系统安装面板上，所述的柔性机械臂可折叠，折叠后的机械臂通过固定绑带绑扎在控制柜上，探测相机安装在柔性机械臂的尖端，并通过无线网络获取探测画面；所述的动作捕获系统用于获取柔性机械臂各关节的旋转角度，所述的遥操作手柄用于实现人在回环调整柔性机械臂的运动状态，所述的空气压缩机为柔性机械臂提供气源，所述的控制柜用于柔性机械臂的气路控制和遥操作手柄、动作捕获系统的电路控制；所述的柔性机械臂包括机械臂本体和多组气动人工肌肉，所述的机械臂本体是由多节机械臂节组成，所述的机械臂节为两端渐缩的筒状结构，多节机械臂节串联并相通形成一个封闭的腔体；相邻的两节机械臂节之间形成机械臂的关节；每相邻的两节机械臂节之间设置有一组气动人工肌肉，相邻的两组气动人工肌肉采用拮抗的布置方式，用于实现相邻的两节机械臂节之间的弯曲并控制机械臂关节的转动角度。
6.一种可折叠充气式机械臂系统的控制方法，具体控制过程如下：
7.步骤1，利用动作捕获系统捕获处于柔性机械臂尖端的探测相机的位置，判断探测相机的位置是否处于期望位置值，如果是，则结束，否则进行步骤2；
8.步骤2，操作者根据探测目标调整遥操作手柄，利用计算控制模块接收和存储遥操
作手柄中的每个舵机的位置值，从而生成每个舵机的期望关节角；
9.步骤3，利用计算控制模块接收和存储动作捕获系统所捕获的处于展开充气状态下的机械臂本体各个关节的角度值，如果每个关节的角度值等于其所对应的舵机的期望关节角时，则结束，否则进行步骤4；
10.步骤4，如果每个关节的角度值偏离其所对应的舵机的期望关节角时，计算控制模块生成每根气动人工肌肉的期望气压值，利用计算控制模块接收和存储由气压采集模块所采集的每根气动人工肌肉的气压值；如果所采集的气动人工肌肉的气压值等于各自的期望气压值时，则气动人工肌肉内的气压即为初始气压；如果所采集的气动人工肌肉的气压值偏离各自的期望气压值时，则计算控制模块生成信号，并将信号发送至充放气电磁阀岛，直至调整每根气动人工肌的气压值为其各自的期望气压值，机械臂本体末端机械臂节的位姿为期望位姿。
11.本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
12.1、本发明中的机械臂本体和柔性驱动器(气动人工肌肉)采用了充气式的结构，可折叠为圆柱形包裹放入控制柜存放，具有轻量化、便携性、柔顺性高和成本低的特点，充气式臂杆内部气体的可压缩性解决了现有探测设备安全性较差的问题，为复杂精密环境下的探测任务提供了新的解决方案；
13.2、本发明具有极高的环境顺应性，可应用于复杂灾害环境、珍稀动植物/文物等顺应性限制条件下的探测任务；
14.3、本发明整体结构轻量化，基于包含集成阀岛、传感模块、气接口的集成控制柜，减小了装置体积，简化了装置结构，成本更低；
15.4、本发明通过视觉捕获系统实现了关节位置闭环，从而使得机械臂本体关节的运动状态受到控制，并通过计算控制模块有效减小了跟踪误差，解决了充气式机械臂关节运动精度有限的问题；
16.5、本发明通过基于舵机的遥操作手柄实现了人在回环，从而使得机械臂本体末端的机械臂节的运动状态受到控制，解决了充气式机械臂末端运动精度有限和运动规划困难的问题；
17.6、每组气动人工肌肉中的两根气动人工肌肉均设定了初始气压，使得气动人工肌肉具有更好的刚度，并且实现了气压伺服控制。
附图说明
18.附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
19.图1为械臂本体在折叠状态下的三维结构示意图；
20.图2为控制柜的三维结构示意图；
21.图3为控制柜的三维结构示意图
22.图4为气动控制关系示意图；
23.图5为机械臂本体在展开状态下的三维结构示意图；
24.图6为机械臂本体在充气状态下的三维结构示意图；
25.图7为遥操作手臂的三维结构示意图；
26.图8为气动人工肌肉与机械臂本体的连接结构示意图；
27.图9为固定件的结构示意图；
28.图10为本发明机械臂的控制逻辑框图。
29.图中，1-空气压缩机；2-控制柜；2-1-第一面板；2-2-第一溢流阀；2-3-第二溢流阀；2-4-充放气开关阀岛；2-4-1-充气电磁阀；2-4-2-放气电磁阀；2-4-3-充气汇流排；2-4-4放气汇流排；2-5-第二面板；2-6-第四面板；2-7-穿板接头；2-8-计算控制模块；2-9-气压采集模块；2-10-第三面板；2-11-直流电源；2-12-接线端子；2-13-控制柜进气孔；3-柔性机械臂；3-1-机械臂节；3-2-关节；3-3-气动人工肌肉；3-4-固定件；4-探测相机；5-遥操作手柄；5-1-手柄基座；5-2-舵机；5-3-舵机支架；5-4末端支架；6-动作捕获系统；7-系统安装面板；8-固定绑带。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.参见图1至图9所示，本技术实施例提供一种可折叠充气式机械臂系统，其包括空气压缩机1、控制柜2、柔性机械臂3、探测相机4、遥操作手柄5、动作捕获系统6和系统安装面板7；所述的空气压缩机1、控制柜2、遥操作手柄5和动作捕获系统6安装在系统安装面板7上，所述的柔性机械臂3可折叠，折叠后的机械臂通过固定绑带8绑扎在控制柜2上(如图1所示)，探测相机4安装在柔性机械臂3的尖端，并通过无线网络获取探测画面；所述的动作捕获系统6用于获取柔性机械臂3各关节的旋转角度，所述的遥操作手柄5用于实现人在回环调整柔性机械臂3的运动状态，所述的空气压缩机1为柔性机械臂3提供气源，所述的控制柜2用于柔性机械臂3的气路控制和遥操作手柄5、动作捕获系统6的电路控制；
34.本实施方式中的空气压缩机1为柔性机械臂3提供的气源为空气，保证了浮力的恒定，且采用压缩空气更容易保证定位精度。
35.如图5所示，所述的柔性机械臂3包括机械臂本体和多组气动人工肌肉，所述的机械臂本体是由多节机械臂节3-1组成，所述的机械臂节3-1为两端渐缩的筒状结构，首端的机械臂节的一端为封闭形式，另一端为开口形式，尾端的机械臂节一端为封闭形式，另一端为开口形式，中间的机械臂节两端均为开口形式，多节机械臂节3-1串联而成并相通形成一
个封闭的腔体；相邻的两节机械臂节3-1之间形成机械臂的关节3-2；当柔性机械臂3处于充气状态时，首端的机械臂节3-1通过固定绑带8绑扎在控制柜2上(如图6所示)，末端的机械臂节3-1的端部固装有探测相机4，每相邻的两节机械臂节3-1之间设置有一组气动人工肌肉，相邻的两组气动人工肌肉采用拮抗的布置方式，用于实现相邻的两节机械臂节3-1之间的弯曲并控制机械臂关节的转动角度。
36.在一种可能的实施方案中，所述的机械臂本体是由一整张低密度聚乙烯薄膜制成。
37.在一种可能的实施方案中，如图8和图9所示，每组气动人工肌肉包含两根气动人工肌肉3-3和固定件3-4，所述的固定件3-4为一环形的件体，用于约束气动人工肌肉3-3的变形；在固定件3-4上设置有两个气动人工肌肉3-3端部固定节点和两个气动人工肌肉3-3穿梭节点，所述的端部固定节点和穿梭节点交替设置；两个端部固定节点相对设置，两个端部固定节点的连线为机械臂关节的旋转轴线，端部固定节点用于固定气动人工肌肉的端部，两个穿梭节点相对设置，穿梭节点用于实现气动人工肌肉的弯曲，进而实现相邻的两节机械臂节之间的关节沿着关节旋转轴线产生转动角度，即实现机械臂的弯曲；
38.机械臂的每个关节3-2处套装有一个固定件3-4，相邻的两个固定件之间沿其各自的轴线方向旋转90
°
设置，每个固定件3-4上的两个穿梭节点上分别插装一根气动人工肌肉3-3，在机械臂节3-1未充气的状态下，穿梭节点处于气动人工肌肉3-3的中间位置，在机械臂节3-1充气的状态下，所述的气动人工肌肉3-3可沿着穿梭节点的轴线方向移动，气动人工肌肉3-3的两端端部分别固装在与其相邻的固定件3-4上的端部固定节点处，即气动人工肌肉3-3的左端端部固定在处于其左侧的固定件3-4上的端部固定节点处，气动人工肌肉3-3的右端端部固定在处于其右侧的固定件3-4上的端部固定节点处。
39.在一种可能的实施方案中，所述的固定件3-4为绳索，固定件3-4紧贴在机械臂的关节3-2处设置。
40.本实施方案中，在机械臂本体和所有气动人工肌肉处于充气状态下，每节机械臂节3-1轴向基本不可压缩，每组气动人工肌肉中的两根气动人工肌肉3-3均存在气压值相同的初始气压，当每组气动人工肌肉中的两根气动人工肌肉3-3在内部相对气压大于零时，即压差大于零时，两根气动人工肌肉3-3均产生轴向收缩力，而相邻的两节机械臂节之间的关节3-2在两根气动人工肌肉的作用下刚度较低，可以以关节旋转轴线为轴旋转，进而达到整个机械臂的弯曲；具体过程如下：当每组气动人工肌肉中的其中一根气动人工肌肉内部的气压值大于另外一根气动人工肌肉内部的气压值时，所述的其中一根气动人工肌肉的收缩力大于所述的另外一根气动人工肌肉的收缩力，两根气动人工肌肉在固定件3-4的约束作用下，带动相邻的两节机械臂节之间的关节3-2以关节旋转轴线为轴并朝向所述的其中一根气动人工肌肉的一侧旋转；反之，当所述的另外一根气动人工肌肉的气压值大于所述的其中一根气动人工肌肉的气压值，所述的另外一根气动人工肌肉的收缩力大于所述的其中一根气动人工肌肉的收缩力，两根气动人工肌肉在固定件3-4的约束作用下，带动相邻的两节机械臂节之间的关节3-2以关节旋转轴线为轴并朝向所述的另一根气动人工肌肉的一侧旋转，即在每组气动人工肌肉中的两根气动人工肌肉，关节的弯曲方向为气动人工肌肉内气压值大的一侧。
41.在一种可能的实施方案中，如图7所示，所述的遥操作手柄5包括手柄基座5-1、多
个舵机5-2、多个舵机支架5-3和末端杆5-4，所述的多个舵机支架5-3首尾顺次连接并通过多个舵机实现相邻的两个舵机支架之间的转动，处于首端的舵机支架与手柄基座5-1通过舵机相连，处于尾端的舵机支架与末端杆5-4通过舵机相连；本实施方式中通过基于舵机的遥操作手柄实现了人在回环，从而使得机械臂本体末端的机械臂节的运动状态受到控制，解决了充气式机械臂末端运动精度有限和运动规划困难的问题；
42.本实施方式中所述的舵机支架5-3的首端开有舵机安装口，舵机支架5-3的尾端设置有插装槽，所述的手柄基座5-1上设置有舵机安装口，末端杆5-4的尾端设置有插装槽；
43.手柄基座5-1上的舵机安装口上固定有一个舵机，手柄基座5-1上的舵机5-2插装在处于首端的舵机支架5-3上的插装槽内，且手柄基座5-1上的舵机5-2的输出端与舵机插装槽的一侧内壁固连，所述的舵机支架5-3首端的舵机安装口内固装有一个舵机，所述的固装在舵机支架5-3上的舵机插装在与其相邻的舵机支架尾端的插装槽内，所述的固装在舵机支架5-3上的舵机输出端与所述的相邻的舵机支架尾端的插装槽的一侧内壁固连，所述的处于末端的舵机支架5-3上的舵机插装在末端杆5-4的插装槽内，所述的处于末端的舵机支架5-3上的舵机输出轴与末端杆5-4插装槽的一侧内壁固连；所述的遥操作手柄5用于实现人在回环调整机械臂本体的运动状态；
44.在一种可能的实施方案中，所述的手柄基座5-1、舵机支架5-3、末端杆5-4由3d打印高韧性光敏树脂制成。
45.在一种可能的实施方案中，如图2和图3所示，所述的控制柜2包含第一面板2-1、第二面板2-5、第三面板2-10、第四面板2-6、第一溢流阀2-2、第二溢流阀2-3、充放气开关阀岛2-4、多个穿板接头2-7、气压采集模块2-9、计算控制模块2-8、直流电源2-11和接线端子2-12；
46.所述的第一面板2-1、第二面板2-5、第三面板2-10和第四面板2-6共同组成控制柜的柜架，所述的第一面板2-1上开有控制柜进气孔2-13，第一溢流阀2-2和第二溢流阀2-3安装在第一面板2-1上，第一溢流阀2-2用于控制机械臂本体内的气压，第二溢流阀2-3用于稳定充放气开关阀岛2-4的进气口气压；
47.所述的计算控制模块2-8、充放气开关阀岛2-4和气压采集模块2-9安装在第二面板2-5上，充放气开关阀岛2-4和气压采集模块2-9用于协同控制每根气动人工肌肉内的气压，充气开关阀岛2-4用于接收计算控制模块2-8发出的控制信号；
48.所述的多个穿板接头2-7安装在第四面板2-6上，用于充放气开关阀岛2-4与气动人工肌肉的连接；
49.所述的直流电源2-11和接线端子2-12安装在第三面板2-10上，用于实现充放气开关阀岛2-4和气压采集模块2-9的供电；
50.所述的空气压缩机1的出气管穿过控制柜进气孔2-13分为两条路线分别连接到第一溢流阀2-2和第二溢流阀2-3的进气口上，第一溢流阀2-2的出气口通过气管连接到机械臂本体的进气口上，所述的机械臂本体的进气口设置在处于首端的机械臂节上，第一溢流阀2-2用于控制机械臂本体内的气压；第二溢流阀2-3的出气口通过气管与充放气开关阀岛2-4的进气口相连，充放气开关阀岛2-4的出气口通过多根气管分别与每个穿板接头2-7的进气口相连，所述的穿板接头2-7的个数与气动人工肌肉的根数相同，穿板接头2-7与气动人工肌肉一一对应设置，每个穿板接头2-7的出气口通过气管与相应的气动人工肌肉的进
气口相连；
51.所述的计算控制模块2-8的信号输入端分别与遥操作手柄5的信号输出端、动作捕获系统6的信号输出端和气压采集模块2-9的信号输出端连接；
52.所述的充放气开关阀岛2-4的信号输入端与计算控制模块2-8的信号输出端连接，充放气开关阀岛2-4用于接收计算控制模块2-8发出的控制信号，从而调节每根气动人工肌肉3-2内部的气压。
53.在一种可能的实施方案中，所述的充放气开关阀岛2-4包括多个充气电磁阀2-4-1、多个放气电磁阀2-4-2、一个充气汇流排2-4-3和一个放气汇流排2-4-4，所述的充气电磁阀2-4-1和放气电磁阀2-4-2均为常闭电磁阀，所述的多个充气电磁阀2-4-1固定于充气汇流排2-4-3上，所述的多个放气电磁阀2-4-2固定于放气汇流排2-4-4上；
54.所述的充气电磁阀2-4-1、放气电磁阀2-4-2与穿板接头2-7的数量相同，且一一对应设置；
55.所述的每个充气电磁阀2-4-1通过一根管道连接在相应的穿板接头2-7上，所述的每个放气电磁阀2-4-2通过一根管道连接在相应的穿板接头2-7上。
56.参见图10所示，本技术实施例提供一种可折叠充气式机械臂系统的控制方法，具体控制过程如下：
57.步骤1，利用动作捕获系统6捕获处于柔性机械臂3尖端的探测相机4的位置，判断探测相机4的位置是否处于期望位置值，如果是，则结束，否则进行步骤2；
58.步骤2，操作者根据探测目标调整遥操作手柄5，利用计算控制模块2-8接收和存储遥操作手柄5中的每个舵机5-2的位置值，从而生成每个舵机5-2的期望关节角；
59.步骤3，利用计算控制模块2-8接收和存储动作捕获系统6所捕获的处于展开充气状态下的机械臂本体各个关节3-2的角度值，如果每个关节3-2的角度值等于其所对应的舵机5-2的期望关节角时，则结束，否则进行步骤4；
60.步骤4，如果每个关节3-2的角度值偏离其所对应的舵机5-2的期望关节角时，计算控制模块2-8生成每根气动人工肌肉3-2的期望气压值，利用计算控制模块2-8接收和存储由气压采集模块2-9所采集的每根气动人工肌肉3-3的气压值；如果所采集的气动人工肌肉3-3的气压值等于各自的期望气压值时，则气动人工肌肉3-3内的气压即为初始气压；如果所采集的气动人工肌肉3-3的气压值偏离各自的期望气压值时，则计算控制模块2-8生成信号，并将信号发送至充放气电磁阀岛2-4，直至调整每根气动人工肌3-2的气压值为其各自的期望气压值；
61.设每组气动人工肌肉中的其中一根气动人工肌肉内部的期望气压值为p1，另一根气动人工肌肉的期望气压值为p2，p1和p2获取过程如下：
[0062][0063]
其中，δp为压差值；
[0064]
当每根气动人工肌肉3-3的气压值高于其本身的期望气压值时，计算控制模块2-8生成充气电磁阀2-4-1的关闭信号和放气电磁阀2-4-2的开启信号，直至气动人工肌肉3-3的气压值为其本身的期望气压值为止；当气动人工肌肉3-3的气压值低于其本身的期望气压值时，计算控制模块2-8生成充气电磁阀2-4-1的开启信号和放气电磁阀2-4-2的关闭信
号，直至气动人工肌肉3-3的气压值为其本身的期望气压值为止，机械臂本体末端机械臂节的位姿为期望位姿。
[0065]
本发明通过上述方式进行调整机械臂本体各个关节的角度，最终使得探测相机所处位置更加精确。
[0066]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。