具有刚度调节功能的连续体机器人及负载感知控制方法

技术领域

本发明属于机器人学、控制科学、计算机科学、传感技术的交叉领域，更为具体的讲，涉及具有刚度调节功能的连续体机器人及负载感知控制方法。

背景技术

由刚性连杆组成的工业机械臂具有负载大、运动精确等优点，但是拥有自由度少，柔顺性不足，在面对复杂的工作环境时会发生不可避免的刚性碰撞，存在安全性隐患。而仿生连续体机器人的模仿对象是象鼻、章鱼触手等柔性生物器官，由多个关节及柔性材料构成，主要运动形式表现为弹性结构的伸缩、弯曲变形，具有良好的适应性、灵活性、避障能力和环境适应能力，在复杂狭小的环境中可以根据环境产生弯曲变形，避免与复杂操作环境产生碰撞，在救援、医疗、深腔探测等传统工业机械臂难以工作的应用场景中具有很大的运用价值。然而连续体机器人的负载能力有限，末端难以像刚性机械臂一样承受比较大的载重，主要原因时关节的刚度比较低。因此，研究人员提出了关节刚度调节的方案，如专利公开号：CN107718040A公开的一种“机器人刚度可控关节及其刚度控制方法”，利用电流的热效应作用改变形状记忆合金金属片的形状，改变刚度结构部分外层弹性骨架和内层弹性骨架之间的距离，实现变刚度结构部分的壁厚变化，从而使得刚度可控关节在刚性工作状态和柔性工作状态之间的切换，但是控制过程存在温度变化时间，导致刚度变化的响应速度较慢的问题；专利公开号：CN202622798U公开的“一种磁流变连续体机器人操作器”，通过改变线圈的电流可以调节作用在软管内磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，并实现在液固两项之间转换，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用，但实际应用中存在结构复杂、稳定性较差、响应较慢及磁路生热干扰等问题。

发明内容

针对以上连续体机器人刚度调节难以平衡刚度和速度的问题，研究人员需要开发新的技术实现负载的主动感知和控制方法，实现根据外界负载的大小智能控制匹配的刚度大小，从而实现精确、高速、稳定的运动和作业控制，本发明提出了具有刚度调节功能的连续体机器人及负载感知控制方法，，包括一种具有刚度调节功能的机器人本体、运动感知模块、力感知模块，运动检测方法、力检测方法，以及运动和刚度控制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供具有刚度调节功能的连续体机器人,包括机器人本体、运动感知模块和力感知模块，所述的机器人本体包括基座、关节、钢丝绳和直线电机，所述的直线电机包括N

所述的运动感知模块包括单目摄像头和编码器，N

所述感知模块包括阵列式触觉传感器、拉力传感器和六维力传感器，所述的阵列式触觉传感器固定在所述的机器人机械臂外侧，所述的拉力传感器包括包括N

本发明提供具有刚度调节功能的连续体机器人的负载感知控制方法，包括运动检测方法及运动和刚度控制方法：

所述运动检测方法通过所述编码器检测所述直线电机的位移，得到对应所述钢丝绳的伸缩量，通过常曲率模型换算得到所述机器人机械臂末端的位置估计值(x

x＝μx

y＝μy

z＝μz

其中μ为权重系数；

所述力检测方法通过阵列式触觉传感器检测所述机器人机械臂外侧与障碍物的接触力F的位置(r,h,λ)，通过N

所述运动和刚度控制方法具体步骤如下：

S1：给定初始与目标末端位姿数据；

S2：基于常曲率模型，建立基座坐标系O

其中(x

再映射到表征电机控制的驱动空间{ΔL

L

其中R

得到每个钢丝绳总长度即可解算出达到给定目标末端位姿所需的直线电机位移，同样得到实际末端位姿所需的直线电机位移；

S3：控制直线电机进行相应伸缩运动；

S4：编码器测量直线电机位移，并解算出实际直线电机位移；

S5：相应单目摄像头识别末端关节位置是否在画面中并在一定画幅内，从而判断末端方向，相应相邻单目摄像头组成双目摄像头，因为每个单目摄像头位置固定，在使用前先进行双目标定后获得的单目摄像头焦距f和双目中心距D；

以光心为摄像机坐标系原点，建立摄像机坐标系O

建立一个过渡坐标系，即图像物理坐标系O

通过P点在左图像像素坐标系中的坐标P

其中，(c

再通过相机安装在基座上的位置得齐次变换矩阵，得P点在基座坐标系下的三维坐标；由末端关节三点坐标与三点作圆公式得关节中心坐标，代入S2中的公式得到直线电机位移；

S6：根据编码器测得直线电机位移和双目摄像头测得直线电机位移融合得实际直线电机位移，以及机器人机械臂末端位置；

S7：阵列式触觉传感器检测接触力的位置，拉力传感器检测钢丝绳的拉力，并解算的接触力大小，六维力传感器检测机器人机械臂末端关节与环境接触操作过程的力和力矩；

S8：根据接触力的位置和大小，解算关节的刚度调节装置的控制电流，控制每个关节的刚度调节装置；

S9：判断实际直线电机位移是否达到目标直线电机位移，如果否则进入S3；如果是则运动控制结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的具有刚度调节功能的连续体机器人及负载感知控制方法，基于带有刚度调节装置的连续体机器人，采用触觉传感器和拉力传感器感知外力，因为刚度越大需要的控制电流越大，则能耗越大，并且所需加热时间也越长，系统的反应速度越慢，所以本发明能够主动感知并控制刚度调节装置以适当的速度来调节合适的刚度；采用安装在机器人本体上的多个单目摄像头与电机编码器结合，并通过位置判断组合单目摄像头为多目摄像头，具有结构紧凑、测量精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的连续体机器人整体机构立体视图1；

图2为本发明的连续体机器人整体机构立体视图2；

图3为本发明的关节机构组成示意图；

图4为本发明的单目摄像头安装及视角示意图；

图5为本发明的力检测系统示意图；

图6为本发明的弯曲坐标系

图7为本发明的双目相机坐标系与深度检测示意图；

图8为本发明的力检测方法示意图；

图9为本发明的运动和刚度控制方法流程图。

附图标记：

1、机器人本体；1-1、基座；1-2、关节；1-2-1、节片；1-2-2、刚度调节装置；1-3、钢丝绳；1-4、直线电机；1-5、机器人机械臂；2、运动感知模块；2-1、单目摄像头；2-2、编码器；3、力感知模块；3-1、阵列式触觉传感器；3-2、拉力传感器；3-3、六维力传感器；4、障碍物。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例：参照附图1、附图2、附图3、附图4，所述的具有刚度调节功能的连续体机器人包括机器人本体1、运动感知模块2和力感知模块3，所述的机器人本体包括基座1-1、关节1-2、钢丝绳1-3和直线电机1-4，所述的直线电机1-4包括9个，安装在所述的基座1-1内，所述的关节1-2包括40个，依次串联铰接安装在基座1-1顶部组成机器人机械臂1-5，每个所述关节1-2上都具有节片1-2-1和刚度调节装置1-2-2，所述的钢丝绳包括9根，其一端与9个直线电机1-4分别连接固定，另一端固定在末端的一个所述关节1-2上。

参照附图1、附图2、附图3、附图4，所述的运动感知模块2包括单目摄像头2-1和编码器2-2，4个所述的单目摄像头2-1固定在所述基座1-1顶部，呈90度圆周阵列式分布，所述的编码器2-2包括9个，分别安装在所述的9个直线电机1-4内部，检测直线电机1-4的位移量。

参照附图1、附图2、附图3、附图5，所述力感知模块3包括阵列式触觉传感器3-1、拉力传感器3-2和六维力传感器3-3，所述的阵列式触觉传感器3-1固定在所述的机器人机械臂1-5外侧，9个所述的拉力传感器3-2分别固定在所述9个直线电机1-4输出轴和所述9根钢丝绳连接处，所述的六维力传感器3-3固定在所述机器人机械臂的1-5末端关节上。

参照附图1、附图2、附图4、附图6、附图7，所述运动检测方法通过所述编码器2-2检测所述直线电机1-4的位移，得到所述9根钢丝绳1-3的伸缩量，通过常曲率模型换算得到所述机器人机械臂1-5末端的位置估计值(x

x＝μx

μ为权重系数，根据实验测试得到，如0.5。

参照附图1、附图2、附图5、附图8，所述力检测方法通过阵列式触觉传感器3-1检测所述机器人机械臂1-5外侧与障碍物4的接触力F的位置(r,h,λ)，通过9所述拉力传感器3-2检测9根钢丝绳1-3的拉力N，得到接触力F的大小，F＝NR/r；通过所述六维力传感器3-3检测机器人末端在操作物体过程中所产生的力和力矩。

参照附图1、附图2、附图4、附图5、附图6、附图7、附图8、附图9，所述运动和刚度控制方法具体步骤如下：

S1：给定初始与目标末端位姿数据；

S2：基于常曲率模型，建立基座1-1的坐标系O

其中(x

再映射到表征电机控制的驱动空间{ΔL

L

其中R

得到每个钢丝绳1-3总长度即可解算出达到给定目标末端位姿所需的直线电机1-4位移，同样得到实际末端位姿所需的直线电机1-4位移；

S3：控制直线电机1-4进行相应伸缩运动；

S4：编码器2-2测量直线电机1-4位移，并解算出实际直线电机1-4位移；

S5：多个单目摄像头2-1识别40个关节1-2位置是否在画面中并在一定画幅内，从而判断末端方向，相应相邻单目摄像头2-1组成双目摄像头，因为每个单目摄像头位置固定，在使用前先进行双目标定后获得的单目摄像头2-1焦距f和双目中心距D。

以光心为摄像机坐标系原点，建立摄像机坐标系O

通过P点在左图像像素坐标系中的坐标P

其中，(c

再通过相机安装在基座上的位置可得齐次变换矩阵，可得P点在基座坐标系下的三维坐标。由末端关节三点坐标与三点作圆公式可得关节中心坐标，代入S2中的公式可得到直线电机1-4位移；

S6：根据编码器2-2测得直线电机1-4位移和双目摄像头测得直线电机1-4位移融合得实际直线电机1-4位移，以及机器人机械臂1-5末端位置；

S7：阵列式触觉传感器3-1检测接触力的位置，拉力传感器3-2检测钢丝绳1-3的拉力，并解算的接触力大小，六维力传感器3-3检测机器人机械臂1-5末端关节与环境接触操作过程的力和力矩；

S8：根据接触力的位置和大小，解算关节的刚度调节装置1-2-2的控制电流，控制每个关节的刚度调节装置；

S9：判断实际直线电机1-4位移是否达到目标直线电机位移，如果否则进入S3；如果是则运动控制结束。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，属于本发明所要求保护的范围。