一种驱动绳自动张紧的柔性检测机器人及其控制方法

1.本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是一种驱动绳自动张紧的柔性检测机器人及其控制方法。


背景技术：

2.绳驱动连续式柔性机器人被广泛应用于医疗、救援等领域，但驱动绳极易受拉力变长发生松弛，从而影响机器人的控制精度，甚至产生安全隐患，但为了尽量减小绳与弯曲体的耦合，提高系统精度，弯曲体的绳孔内径与驱动绳直径接近，导致驱动绳的更换相当困难；另一方面机器人的不同驱动绳在工作过程中受拉力影响，导致绳长变化量不同，容易造成弯曲单元在运行过程中摆动幅度大，对工作环境冲击大，现有的传统结构中，要求对电机进行协同控制，使得控制算法较复杂，实现成本较高。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种驱动绳自动张紧的柔性检测机器人及其控制方法，实现对绳驱动连续体机器人在运行过程中绳长张紧，并对发生变形的连续体机器人的绳长进行补偿与零位回复。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种驱动绳自动张紧的柔性检测机器人，具有可移动的机架，所述的机架上设有可移动的牵引组件，机架左侧安装有驱动牵引组件移动的电机模组,机架右侧设有导向组件，导向组件上安装有弯曲关节。
5.所述电机模组：具有转动设置在机架的左、右侧板之间的传动丝杠，机架左侧板端安装有无刷直流电机，无刷直流电机通过联轴器与传动丝杠传动连接；
6.所述牵引组件:具有定支架、与定支架中部铰接的动支架，所述的定支架中心位置固定有与传动丝杠传动连接的丝杠螺母，定支架上端固定有检测点与动支架连接的拉力传感器；
7.所述导向组件：固定架、动滑轮及定滑轮，动滑轮和定滑轮通过各自的轴承座转动设在固定架上，其中固定架上安装动滑轮的轴承座所在的滑槽内设有压缩弹簧；
8.所述弯曲关节：由若干个弯曲单元通过榫接头与卯接头连接而成，位于弯曲单元的中空通道内设有贯穿弯曲关节的芯柱弹簧，所述弯曲单元的前端连接有检测探头，弯曲单元的中空通道外侧周向均布有控制弯曲单元动作的驱动绳，所述驱动绳通过导向组件的定滑轮、动滑轮导向后与牵引组件的动支架底端连接；
9.所述拉力传感器与动支架连接的检测点位置到定支架中部铰接点之间的距离，与驱动绳和动支架固接的连接点到定支架中部铰接点之间的距离相同。
10.具体说，所述的机架底部设有推动机架移动的移动平台，所述移动平台具有底座，底座上安装有驱动丝杠，位于驱动丝杠两侧的底座上固定有滑轨，底座一侧安装有步进电机，步进电机通过联轴器与驱动丝杠传动连接，驱动丝杠上转动连接有与机架底部固接的滑块，所述的滑块与滑轨滑动配合。
11.优选地，所述的弯曲关节具有两节，检测探头安装在前一节弯曲关节的弯曲单元的前端面，所述弯曲单元的中空通道外侧周向均布有十二个用于穿过驱动绳的驱动绳孔，一个弯曲关节通过间隔120
°
分布的三根驱动绳控制。
12.进一步地，为防止芯柱弹簧在中空通道内产生转动，影响控制精度，所述的弯曲关节首末位置的两个弯曲单元的中空通道的直径比中部弯曲单元的中空通道直径小，芯柱弹簧的首末两端与弯曲单元的顶端与尾端固定。
13.所述的榫接头和卯接头呈十字交叉分设在弯曲单元两侧，所述弯曲单元前后交错装配，以实现一节弯曲关节的两个自由度转动。
14.为确保经过动滑轮两侧的驱动绳路径与压缩弹簧平行，所述的动滑轮与定滑轮安装后在水平方向上的轴心距为两滑轮的半径之和。
15.所述动滑轮可下降的最低位置高于定滑轮的位置，由于驱动绳的张紧是针对控制过程中无刷直流电机无法协同控制时，不同驱动绳各自进给量不同，可利用压缩弹簧的弹性特征，驱动绳间接作用于安装在动滑轮下放的压缩弹簧，压缩弹簧根据驱动绳拉力自动调节压缩量来保持驱动绳张紧，防止拉力过大损伤驱动绳或驱动绳松弛弯曲单元摆动幅度过大。
16.一种采用上述驱动绳自动张紧的柔性检测机器人的控制方法，具有以下步骤：
17.s1、检测前，将连续体检测机器人推进到指定位置，在驱动绳的作用下将检测探头送到指定位置；
18.s2、根据所组装的弯曲单元的节数与驱动绳的材料，选择刚度合适的压缩弹簧，然后根据所选择的压缩弹簧与弯曲关节所对应的驱动绳之间的最大变化量，确定压缩弹簧的预压缩量，并把竖直状态下穿过的弯曲关节的驱动绳与牵引组件的动支架连接，让驱动绳有一定的预张紧力，将此时对应的位置标定为零位，拉力传感器将此时检测到的驱动绳拉力值发送至上位机并保存为阈值n0；
19.s3、在每次检测机器人开机后，先由无刷直流电机驱动牵引组件回到零位，然后将此时拉力传感器的检测值n与阈值n0比较，若与阈值n0不等，表明压缩弹簧与弯曲关节不是零位状态，则控制无刷直流电机牵引驱动绳直至压缩弹簧回复零位，完成零位回复；
20.s4、完成零位回复后，机架移动将连续体检测机器人移动到指定位置，然后系统上位机根据目标点利用逆运动学计算驱动绳的模型变化量δl1，并根据反馈的驱动绳的拉力值，计算需要补偿的进给量δl2,δl2＝2*(n-n0)/k，最后计算驱动绳的实际绳长进给量为δl并输出，则δl＝δl1+δl2。
21.本发明的有益效果是：本发明弯曲单元利用卯榫结构连接成刚性部件，提高了连续体检测机器人的刚度与负载，中空通道加装芯柱弹簧，提供弹性支撑并起到弯曲单元左右限位的功能，独特的榫卯连接与芯柱弹簧设计便于后续的轻型化和快速装配，相较于传统铆接更加便捷且质量更轻；导向组件的动滑轮下放安装压缩弹簧，利用压缩弹簧的特性保持运行过程中驱动绳的张紧，并提高刚性连续体整体系统的弹性，考虑驱动绳换装的不便与其独特的张紧结构，提出了驱动绳补偿和零位回复方法，减少驱动绳的更换频率，并提高控制精度。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.图1是本发明的结构示意图。
24.图2是本发明所述移动平台的结构示意图。
25.图3是本发明所述牵引组件的结构示意图。
26.图4是本发明所述导向组件的结构示意图。
27.图5是本发明所述弯曲关节的结构示意图。
28.图6是本发明所述弯曲单元的装配结构示意图。
29.图中：
30.1.移动平台，1-1.底座，1-2.驱动丝杠，1-3.滑轨，1-4.步进电机，1-5.滑块；
31.2.电机模组，2-1.传动丝杠，2-2.无刷直流电机；
32.3.牵引组件，3-1.定支架，3-2.动支架，3-3.丝杠螺母，3-4.拉力传感器；
33.4.导向组件，4-1.固定架，4-2.动滑轮，4-3.定滑轮，4-4.压缩弹簧
34.5.弯曲关节，5-1.弯曲单元，5-2.榫接头，5-3.卯接头，5-4.芯柱弹簧，5-5.检测探头，5-6.驱动绳；
35.6.机架。
具体实施方式
36.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
37.如图1～图6所示的一种驱动绳自动张紧的柔性检测机器人，包括移动平台1、电机模组2、牵引组件3、导向组件4以及弯曲关节5。
38.所述的移动平台1具有底座1-1，底座1-1上安装有驱动丝杠1-2，位于驱动丝杠1-2两侧的底座1-1上固定有滑轨1-3，底座1-1一侧安装有步进电机1-4，步进电机1-4通过联轴器与驱动丝杠1-2传动连接，驱动丝杠1-2上转动安装有滑块1-5，所述的滑块1-5与滑轨1-3滑动配合。
39.所述的滑块1-5上固定有机架6，机架6的左、右侧板之间设有六套周向均布的牵引组件3，机架6左侧板端设有与牵引组件3对应的电机模组2，机架6右侧板中心固定有弯曲关节5，机架6右侧板上安装有与牵引组件3相对应的导向组件4。
40.所述电机模组2：具有转动设置在机架6的左、右侧板之间的传动丝杠2-1，机架6左侧板端安装有无刷直流电机2-2，无刷直流电机2-2固定在法兰盘上通过联轴器与传动丝杠2-1传动连接。
41.所述牵引组件3：具有定支架3-1、与定支架3-1中部铰接的动支架3-2，所述的定支架3-1中心位置固定有与传动丝杠2-1传动连接的丝杠螺母3-3，定支架3-1上端固定有检测点与动支架3-2连接的拉力传感器3-4；
42.所述导向组件4：具有固定架4-1、动滑轮4-2及定滑轮4-3，动滑轮4-2和定滑轮4-3通过各自的轴承座转动设在固定架4-1上，其中固定架4-1上安装动滑轮4-2的轴承座所在的滑槽内设有压缩弹簧4-4。
43.所述弯曲关节5：具有相连的两节，每节弯曲关节5由若干个弯曲单元5-1通过榫接
头5-2与卯接头5-3连接而成，所述弯曲单元5-1采用高硬度材料制作，其内部中心为中空通道，榫接头5-2和卯接头5-3呈十字交叉分设在弯曲单元5-1两侧，前后弯曲单元5-1交错装配，实现一节弯曲关节5的两个自由度转动。
44.位于弯曲单元5-1的中空通道内设有贯穿两节弯曲关节5的芯柱弹簧5-4，芯柱弹簧5-4采用超弹性材料且与中空通道采用过盈配合，起到弹性支柱的作用，避免芯柱弹簧5-4与弯曲单元5-1发生转动而影响控制精度。
45.其中位于弯曲关节5首末位置的两个弯曲单元5-1的中空通道的直径比中部弯曲单元5-1的中空通道直径小，将芯柱弹簧5-4的首末两端与弯曲单元5-1的顶端与尾端固定，防止芯柱弹簧5-4在中空通道内产生滑动。
46.前一节弯曲关节5的弯曲单元5-1的前端连接有检测探头5-5，可通过弯曲关节5构成的柔性臂将检测探头5-5送到指定位置进行检测，检测探头5-5走线可从芯柱弹簧5-4内部中空穿过。
47.每个弯曲单元5-1的中空通道外侧周向均布有十二个驱动绳孔，一个弯曲关节5采用三根驱动绳5-6，每根驱动绳5-6间隔120
°
，这样最多可驱动四个弯曲关节5。所述驱动绳5-6后端限位在后一节弯曲关节5末端的弯曲单元5-1上后，连接至导向组件4的定滑轮4-3，绕过定滑轮4-3后绕于动滑轮4-2上，从动滑轮4-2出来最终与牵引组件3的动支架3-2底端连接，测试时通过无刷直流电机2-2转动传动丝杠2-1，移动牵引组件3拉扯驱动绳5-6。
48.拉力传感器3-4与动支架3-2连接的检测点位置到定支架3-1中部铰接点之间的距离，与驱动绳5-6和动支架3-2固接的连接点到定支架3-1中部铰接点之间的距离相同，根据等臂杠杆原理，拉力传感器3-4的检测值即为驱动绳5-6的拉力值，将该拉力值上传至控制系统，作为无刷直流电机2-2控制指令的计算参数。
49.安装时将榫接头5-2从弯曲单元5-1侧面推入卯接头5-3后，利用前个弯曲单元5-1的卯接头5-3包裹后个弯曲单元5-1的榫接头5-2，其中所述榫接头5-2与卯接头5-3连接可实现弯曲关节5的上下固定，将芯柱弹簧5-4穿过弯曲单元5-1的中空通道后固定，限制上下弯曲单元5-1的左右滑动，实现弯曲关节5轻量化与模块化快速安装。
50.导向组件4中安装动滑轮4-2的轴承座可在固定架4-1的滑槽内上下滑动，并作用于压缩弹簧4-4，所述的驱动绳5-6的张紧是针对控制过程中直流无刷电机2-2无法协同控制时，不同驱动绳5-6各自进给量不同，利用压缩弹簧4-4的弹性特征，若驱动绳5-6松弛压缩弹簧4-4可反弹张紧驱动绳5-6，反之驱动绳5-6拉力过大则压缩弹簧4-4继续压缩。
51.其中动滑轮4-2与定滑轮4-3之间轴心距为两个滑轮半径之和，驱动绳5-6先绕过定滑轮4-3后竖直接入动滑轮4-2，绕过动滑轮4-2后竖直与牵引组件3的动支架3-2连接，保证绕过动滑轮4-2的驱动绳5-6路径与压缩弹簧4-4平行；装配时动滑轮4-2可下降的最低位置要高于定滑轮4-3的位置，以避免驱动绳5-6出现松弛滑脱现象。
52.驱动绳5-6自动张紧补偿的控制方法：移动平台1的直线推拉运动，弯曲关节5的周向弯曲运动，整个弯曲关节5的检测过程如下：在介入检测前，整个连续体检测机器人在移动平台1上推进到指定位置，弯曲关节5共分为两节共有四个弯曲自由度，在驱动绳5-6的作用下将检测探头5-5送到指定位置。
53.步骤1-1、首先根据所组装的弯曲单元5-1的节数与驱动绳5-6的材料，选择刚度(k)合适的压缩弹簧4-4，然后根据所选择的压缩弹簧4-4与弯曲关节5所对应的驱动绳5-6
之间的最大变化量，确定压缩弹簧4-4的预压缩量，并把竖直状态下穿过的弯曲关节5的驱动绳5-6与牵引组件3的动支架3-2连接，让驱动绳5-6有一定的预张紧力，将此时对应的位置标定为零位，最后拉力传感器3-4将此时检测到的驱动绳5-6拉力值发送至上位机并保存为阈值n0；
54.步骤1-2、在每次检测机器人开机后，先由无刷直流电机2-2驱动牵引组件3回到零位，然后将此时拉力传感器3-4的检测值n与阈值n0比较，若与阈值n0不等，表明压缩弹簧4-4与弯曲关节5不是零位状态，则控制无刷直流电机2-2牵引驱动绳5-6直至压缩弹簧4-4回复零位，完成零位回复；
55.步骤1-3、完成零位回复后，移动平台1的步进电机1-4将连续体检测机器人移动到指定位置，然后系统上位机根据目标点利用逆运动学计算驱动绳5-6的模型变化量δl1，并根据反馈的驱动绳5-6的拉力值，计算需要补偿的进给量δl2,δl2＝2*(n-n0)/k，最后计算驱动绳5-6的实际绳长进给量为δl并输出，则δl＝δl1+δl2。
56.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。