一种变长度连续型机器人及抓捕方法与流程

1.本发明机器人领域，具体地而言为一种变长度连续型机器人及抓捕方法。

背景技术：

2.现有的连续型机器人变长度方式主要有张拉结构，折纸结构和同心管结构等。张拉结构通过多单元连杆的运动，实现机器人长度的变化和弯曲，但是组成单元多，机构复杂，实际应用有难度。折纸结构利用自身的可展开性，实现机器人伸缩、弯曲和扭转，但是基于折纸结构的连续型机器人通常采用流体驱动，配备的驱动装置维护难度较大。另外，上述两种可变长度的连续型机器人采用的组成材料多为刚性杆件，容易对质地轻软的目标造成伤害。同心管结构通过控制多条伸缩管的运动，完成机器人的长度变化和空间扭转，但是多条软管的协同运动增加了控制的难度。

技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于提供一种变长度连续型机器人及抓捕方法，解决现有的可变长度的连续型机器人容易对质地轻软的目标造成伤害，以及控制难度大的问题。
4.本发明提供一种可变长度的连续型机器人。本发明采用电机绳索驱动，完成机器人的弯曲运动，实现对目标的包络型抓捕；通过刚柔双管，实现机器人长度的变化，实现对尺寸和形状不同的目标的抓捕，扩展被抓捕目标的范围，具有控制简捷、用途广泛的优点，可用于航天器内部故障检测，灾难环境探测以及太空碎片清理等，主要应用在救援、医疗、航空航天等领域。
5.本发明是这样实现的，一种可变长度连续型机器人，该机器人包括：
6.控制箱、基关节、柔性抓捕器以及长度伸缩器；
7.所述柔性抓捕器通过控制驱动线的长短实现包络方式抓取目标；
8.所述长度伸缩器与所述柔性抓捕器连接，将柔性抓捕器推出或收回，实现有效抓捕长度的增减；
9.所述基关节位于长度伸缩器与控制箱之间，实现柔性抓捕器在二维平面内不同方向角目标的调整；
10.所述控制箱内设置有驱动线的控制结构以及控制器，所述控制模块用于发出指令，控制驱动线、长度伸缩器以及基关节。
11.进一步地，所述柔性抓捕器包括多个节盘固定在两根柔性骨架上，节盘的横截面为圆形，在节盘上等圆心角分布有三个穿入孔，三个穿入孔分别用于穿入两个柔性骨架和一个驱动线。
12.进一步地，所述节盘之间具有间距，柔性骨架采用超弹镍钛合，所述驱动线采用尼龙材质。
13.进一步地，所述长度伸缩器包括硬质支撑套管以及与硬质支撑套管连接的伸缩
杆，所述伸缩杆与柔性抓捕器固定，柔性抓捕器远端安装传感器安置座，以硬质套管远端为起始点，至外露的柔性抓捕器远端即传感器安置座为终点，此长度为有效抓捕长度。
14.进一步地，所述基关节包括转动关节以及电机c，通过电机c根据控制模块对转动关节进行控制。
15.进一步地，所述控制箱内设置一电机a，所述电机a通过联轴器连接驱动线，在所述驱动线上安装有拉力传感器，所述拉力传感器采集的信号传递至一数据采集卡，由信息采集卡上传给控制模块和上位机。
16.一种可变长度连续型机器人的抓捕方法，根据预先已知的目标位置和大小的信息，调节电机b和电机c使伸长量和旋转角到达期望值，之后柔性抓捕器以包络形式形成弯曲角度抓捕目标，具体包括：
17.平面转动，依靠电机c实现基关节的平转，根据目标所在的位置，确定抓捕方向；
18.调节长度，完成平面转动后，根据目标的大小和形状，确定有效抓捕长度的长度伸长量后，通过电机b实现伸长量的调节；
19.缠绕抓捕，调节到合适的长度后，驱动线开始收紧，对目标进行抓捕，通过电机a控制驱动线的实现柔性抓捕器形变进而形成全包络完成对目标的抓捕。
20.进一步地，所述弯曲角度使用rbf神经网络进行预测，当已知当前驱动线的拉力f(t)、弯曲角度α(t)、伸长量δl(t)和旋转角度预测出下一时刻唯一的弯曲角度当预测角度满足时，认为已经对目标完成全包络。
21.进一步地，当电机b和电机c到达指定状态后停止，按照一个角度ω1驱动电机a，并根据判断的预测角度满足的条件，以ω1/2驱动电机a进行抓紧。
22.进一步地，形成全包络至将目标抓紧的过程中，电机a的角速度会捕捉到一次突变，即角速度陡然降低，根据该突变判断目标是否已抓紧，否则电机a继续驱动直至捕捉到角速度的突变。
23.本发明与现有技术相比，有益效果在于：
24.本发明均有强适应性、在空间中对非合作目标进行抓捕时的显著优势以及控制的独立性。
25.1：强自适应性。
26.对不同形状和大小的目标的自适应能力。首先根据目标的大小，长度伸缩器调整抓捕器的有效抓捕长度，然后柔性抓捕器进行弯曲变形，对目标进行抓捕。当抓住目标时，抓捕器是用整体抓住目标，最终形态由目标的形状和大小决定。
27.对不同位置的目标的自适应能力。设置一个转动关节，在已知目标位置的前提下，使其可以在二维平面上通过调整方向角，只要目标的相对位置和大小在允许范围内，就能实现对不同位置目标的抓捕，还可以将目标放置在不同的位置。
28.对不同运动状态的目标的自适应能力。机器人的抓捕器是柔性的，其“软壳”保护套可以提高抓取的鲁棒性，对于小幅度运动的目标，在目标对执行器具有轻微碰撞的情况下，也能较好地完成抓捕任务，提现其对物体运动状态的自适应能力。
29.在极端环境中执行上述操作的可实现性。提出的机器人的长度伸缩器是刚性杆结构，柔性抓捕器是节盘—柔性骨架结构，各节盘之间的动力传递是通过柔性骨架和尼龙驱动线而非液态肌腱或气动肌肉。只要选择合适的材料，就可以有效地长期应用于高真空、大
温差、强辐射等极端环境，在可靠性和使用寿命方面有明显的优势。
30.2：在对非合作目标进行抓捕时的显著优势。在执行捕获任务时，传统的机器人可能与非规则运动的目标接触后，可能导致其翻滚和漂移，因此，要求用于捕获操作的机械臂的机器人具有“软捕获”的性能要求。本发明提出的多功能机器人在捕获过程中，使用一种新的自适应模式，即通过抓捕器自身的柔性结构，全身包络抓捕目标。执行器与目标之间的接触力不会导致较大冲击和碰撞产生，可以实现柔顺捕获，提高了抓捕效率和成功率。
31.3：控制的独立性。现有连续型机器人一般基于多模态感知、规划和控制，需要多个驱动器协同工作，最后实现对目标的抓捕。与以往的连续型机器人不同，本技术所提出的机器人使用三个电机分别独立控制平面转动、长度变化和弯曲角度，简化了机器人操作过程中对控制系统的要求。同时长度伸缩器是轻型杆结构和柔性抓捕器是节盘-柔性骨架结构都减轻了机器人的重量负担，也降低了对电机扭矩的要求。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的机器人的整体结构示意图；
33.图2为本发明实施例提供的机器人的柔性抓捕器的结构示意图；
34.图3为本发明实施例提供的机器人的柔性抓捕器内部的结构示意图；
35.图4为本发明实施例提供的机器人的控制箱的结构示意图；
36.图5为本发明实施例提供的方法的流程图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.本发明所提出的多功能连续型机器人样机如图1所示，该机器人包括：控制箱1、基关节2、柔性抓捕器4以及长度伸缩器3；柔性抓捕器4通过控制驱动线的长短实现包络方式抓取目标；长度伸缩器3与所述柔性抓捕器4连接，将柔性抓捕器4推出或收回，实现有效抓捕长度的增减；基关节位于长度伸缩器与控制箱之间，实现柔性抓捕器在二维平面内不同方向角目标的调整；控制箱内设置有驱动线的控制结构以及控制器，控制模块用于发出指令，控制驱动线、长度伸缩器以及基关节。
39.参见图2结合图3所示，柔性抓捕器由15个节盘48固定在两根柔性骨架上，节盘的横截面为圆形，在节盘上等圆心角分布有三个穿入孔，三个穿入孔分别用于穿入两个柔性骨架和一个驱动线45，外置一“软壳”保护套42，节盘由3d打印机和打印材料制成，相邻的节盘，节盘厚度为1.5mm，间距为15mm。第一柔性骨架43和第二柔性骨架44和驱动线45的材料分别是超弹镍钛合和尼龙。抓捕器的参数由表1所示。驱动缆拉动支撑骨架进行柔性变形，完成抓捕器的弯曲动作。
40.表i柔性抓捕器的参数
[0041][0042]
为了实现对不同形状和尺寸的目标，引入变长度设计。如图2所示，长度伸缩器由硬质支撑套管47和伸缩杆46组成，柔性抓捕器与伸缩杆46固定，以硬质套管远端为起始点，至外露的柔性抓捕器远端即传感器安置座41为终点，此长度为有效抓捕长度。该连续型机器人变长度机理是通过改变伸缩杆46的伸长量来控制执行器的有效抓捕长度来实现的。伸缩杆46将抓捕机构推出或收回，从而实现有效抓捕长度的增减。伸缩杆46由直流电机b(直流电机b位于图2中伸缩杆46的顶部)驱动，直流电机b以恒定转速驱动伸缩器，因此只需控制伸缩杆46的驱动电机正反转时间的长短，就能控制连续型执行器的有效抓捕长度发生变化，进而实现对不同目标的抓捕。伸缩杆46的伸长δl范围为0mm～150mm，因此机器人的有效抓捕长度为250mm～400mm。
[0043]
另外，长度伸缩器和控制箱之间设置基关节，基关节包括转动关节，并设置电机c，通过电机c对转动关节进行控制。可以实现
±
80
°
内不同方向角目标的抓捕在二维平面。
[0044]
参见图4所示。控制箱包含驱动模块、控制模块和传感模块，如图4所示。驱动模块包含了用来驱动柔性执行器驱动线的电机a，电机a16通过联轴器12安装驱动线卷盘11，为柔性抓捕器提供驱动力，以实现弯曲变形。拉力传感器15与其数据采集卡13一起构成了传感模块。
[0045]
在执行器驱动过程中，拉压力传感器5用来测量驱动线上的拉力，测量数据由信息采集卡3记录并保存后，上传给上位机。为了控制驱动绳收放、调整执行器有效抓捕长度和电机c方向角(控制模块向根部电机也就是电机c发送指令实现方向角的变化)，设计了控制模块17，由主控制板arduino uno和电机驱动板l298n组成。
[0046]
连续型机器人控制方法包括：
[0047]
在三个电机a、电机b和电机c独立驱动下，一次抓捕实验的运动周期分为三步，
[0048]
(1)平面转动。依靠电机c实现基关节的平转，根据两个目标所在的位置，确定抓捕方向。
[0049]
(2)调节长度。完成转向运动后，根据目标的大小和形状，确定有效抓捕长度的长度伸长量后，通过电机b实现伸长量的调节。
[0050]
(3)缠绕抓捕。调节到合适的长度后，驱动线开始收紧，对目标进行抓捕，通过电机c控制驱动线的实现柔性抓捕器形变进而完成对目标的抓捕。
[0051]
多功能连续型机器人采用包络方式抓取目标时，根据预先已知的目标位置和大小的信息，调节电机b和电机c使执行器的伸长量和旋转角到达期望值，之后柔性抓捕器以包络形式抓捕目标的工作流程如下图所示。使用rbf神经网络对弯曲角度进行预测，当已知当前拉力f(t)、弯曲角度α(t)、伸长量δl(t)和旋转角度可预测出下一时刻唯一的弯曲角度当预测角度满足时，认为连续型执行器已经对目标完成全包络。
[0052]
当电机b和电机c到达指定状态后停止，按照一个角度ω1驱动电机a，并根据判断的预测角度满足的条件，以ω1/2驱动电机a进行抓紧。
[0053]
形成全包络至将目标抓紧的过程中，电机a的角速度会捕捉到一次突变，即角速度陡然降低，至此判断目标已抓紧，否则电机a继续驱动直至捕捉到角速度的突变，其控制流程框图如下图5所示。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种可变长度连续型机器人，其特征在于，该机器人包括：控制箱、基关节、柔性抓捕器以及长度伸缩器；所述柔性抓捕器通过控制驱动线的长短实现包络方式抓取目标；所述长度伸缩器与所述柔性抓捕器连接，将柔性抓捕器推出或收回，实现有效抓捕长度的增减；所述基关节位于长度伸缩器与控制箱之间，实现柔性抓捕器在二维平面内不同方向角目标的调整；所述控制箱内设置有驱动线的控制结构以及控制器，所述控制模块用于发出指令，控制驱动线、长度伸缩器以及基关节。2.按照权利要求1所述的可变长度连续型机器人，其特征在于，所述柔性抓捕器包括多个节盘固定在两根柔性骨架上，节盘的横截面为圆形，在节盘上等圆心角分布有三个穿入孔，三个穿入孔分别用于穿入两个柔性骨架和一个驱动线。3.按照权利要求2所述的可变长度连续型机器人，其特征在于，所述节盘之间具有间距，柔性骨架采用超弹镍钛合，所述驱动线采用尼龙材质。4.按照权利要求2所述的可变长度连续型机器人，其特征在于，所述长度伸缩器包括硬质支撑套管以及与硬质支撑套管连接的伸缩杆，所述伸缩杆与柔性抓捕器固定，柔性抓捕器远端安装传感器安置座，以硬质套管远端为起始点，至外露的柔性抓捕器远端即传感器安置座为终点，此长度为有效抓捕长度。5.按照权利要求2所述的可变长度连续型机器人，其特征在于，所述基关节包括转动关节以及电机c，通过电机c根据控制模块对转动关节进行控制。6.按照权利要求2所述的可变长度连续型机器人，其特征在于，所述控制箱内设置一电机a，所述电机a通过联轴器连接驱动线，在所述驱动线上安装有拉力传感器，所述拉力传感器采集的信号传递至一数据采集卡，由信息采集卡上传给控制模块和上位机。7.一种可变长度连续型机器人的抓捕方法，其特征在于，根据预先已知的目标位置和大小的信息，调节电机b和电机c使伸长量和旋转角到达期望值，之后柔性抓捕器以包络形式形成弯曲角度抓捕目标，具体包括：平面转动，依靠电机c实现基关节的平转，根据目标所在的位置，确定抓捕方向；调节长度，完成平面转动后，根据目标的大小和形状，确定有效抓捕长度的长度伸长量后，通过电机b实现伸长量的调节；缠绕抓捕，调节到合适的长度后，驱动线开始收紧，对目标进行抓捕，通过电机a控制驱动线的实现柔性抓捕器形变进而形成全包络完成对目标的抓捕。8.按照权利要求7所述的抓捕方法，其特征在于，所述弯曲角度使用rbf神经网络进行预测，当已知当前驱动线的拉力f(t)、弯曲角度α(t)、伸长量δl(t)和旋转角度预测出下一时刻唯一的弯曲角度当预测角度满足时，认为已经对目标完成全包络。9.按照权利要求8所述的抓捕方法，其特征在于，当电机b和电机c到达指定状态后停止，按照一个角度ω1驱动电机a，并根据判断的预测角度满足的条件，以ω1/2驱动电机a进行抓紧。
10.按照权利要求9所述的抓捕方法，其特征在于，形成全包络至将目标抓紧的过程中，电机a的角速度会捕捉到一次突变，即角速度陡然降低，根据该突变判断目标是否已抓紧，否则电机a继续驱动直至捕捉到角速度的突变。

技术总结

本发明机器人领域，具体地而言为一种变长度连续型机器人及抓捕方法。该机器人包括：控制箱、基关节、柔性抓捕器以及长度伸缩器；柔性抓捕器通过控制驱动线的长短实现包络方式抓取目标；长度伸缩器与柔性抓捕器连接，将柔性抓捕器推出或收回，实现有效抓捕长度的增减；基关节位于长度伸缩器与控制箱之间，实现柔性抓捕器在二维平面内不同方向角目标的调整；控制箱内设置有驱动线的控制结构以及控制器，所述控制模块用于发出指令，控制驱动线、长度伸缩器以及基关节。本发明对尺寸和形状不同的目标的抓捕，扩展被抓捕目标的范围，具有控制简捷、用途广泛的优点。捷、用途广泛的优点。捷、用途广泛的优点。