一种可变刚度的同心轴机器人及其控制方法
阅读说明：本技术 一种可变刚度的同心轴机器人及其控制方法 (Variable-rigidity concentric shaft robot and control method thereof ) 是由 朱利丰 宋怡晨 申江威 宋爱国 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人及其控制方法,包括同心轴机器人、电机平台、电机和刚度改变辅助环,所描述同心轴机器人成天线结构,前端为钳手工作部分,后端链接电机驱动部分,所述电机传送平台在同心轴机器人后端,所述电机加载平台内部有两个电机空间,所述电机有两个；所述辅助环有若干,可灵活装卸在同心轴机器人外轴上,在需要提高刚度的部位增加刚度,使机器人在整体上呈现不一样的弯曲情况和形态；本发明提供一种可改变刚度的同心轴机器人设计方案,该机器人可以通过刚度变化实现不同形态进而实现特定曲线行进与方向转变。(The invention provides a variable-rigidity concentric shaft robot and a control method thereof, and the variable-rigidity concentric shaft robot comprises a concentric shaft robot, a motor platform, motors and a rigidity change auxiliary ring, wherein the described concentric shaft robot is in an antenna structure, the front end of the concentric shaft robot is a tong working part, the rear end of the concentric shaft robot is connected with a motor driving part, the motor transmission platform is arranged at the rear end of the concentric shaft robot, two motor spaces are arranged in the motor loading platform, and the number of the motors is two; the auxiliary rings are a plurality of and can be flexibly assembled and disassembled on the outer shaft of the concentric shaft robot, and the rigidity is increased at the position where the rigidity needs to be improved, so that the robot presents different bending conditions and forms on the whole; the invention provides a design scheme of a concentric shaft robot with changeable rigidity, and the robot can realize different forms through rigidity change so as to realize specific curve advancing and direction changing.)
技术领域
本发明属于同心轴连续体机器人领域，特别是涉及一种可变刚度的同心轴机器人及其控制方法。
背景技术
同心轴机器人是一种新型的连续体机器人，能够按预定曲线轨道进行传送和旋转，在医疗领域、地质勘探领域有着广泛应用。目前，同心轴机器人调节行径曲线是当下研究的热点，主要在于需要考虑当前姿态以及外界环境的情况，调整下一时刻的机器人姿态与行径曲线。但是，受限于原本同心轴机器人结构内部的受力约束以及外部环境，调整曲线时往往存在死区，尤其在机器人负载情况下，使得同心轴机器人无法按照预定曲线行进，所以需要改变局部刚度增大其调节范围。为了减少整机大小以及保证转动灵活性，往往通过电机整合齿轮装置后置，同时传动模块、驱动模块在后置位一体化设计。但是目前同心轴机器人在实际工作中仍然存在姿态死区，即限定起点终点位置后无法按预定曲线行进。一种直接的方法为增加同心轴机器人的节数，然而这样的方法会增加控制难度，提高成本，提高制造难度，同时也无法全面地进行姿态调整。本发明针对以上问题，提出一种可变刚度的同心轴机器人设计方案，通过辅助装置改变局部位置的刚度改变行进曲线，从而降低控制和制造难度，并提高转动范围。
发明内容
针以上问题，本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人及控制方法，该机器人可以通过局部刚度变化进行行进曲线和姿态的调整。
本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人，包括同心轴机器人机体、工作钳手、电机平台、传动电机、自旋电机和刚度改变辅助环，所述同心轴机器人机体成天线结构且天线结构两端分别为钳手工作部分前端和电机驱动部分后端，所述电机平台位于同心轴机器人的后端，所述电机共有两个分别为自旋电机和传动电机，两个电机串行地放置在平台内部，通过直接控制同心轴机器人的机体自旋与传动进而改变同心轴机器人机体姿态；所述刚度改变辅助环有若干个，所述辅助环成张紧结构，由锁链、弹簧以及电磁铁构成，通过接入辅助环供电插口，改变电压正负与大小，控制两电磁铁之间磁力方向以及强弱，进而实现辅助环松紧占比调整，不同松紧占比可改变所在位置刚度大小进而改变前进的角度方向，每一个辅助环调紧后最大调节为60度，随着前端顺时针自或逆时针自旋产生效果不同，百分百调紧相应辅助环并以控制同心轴方向旋转60度，其余辅助环百分百调紧后均可在前一基础上调节60度，其余角度旋转情况通过调节松紧程度实现，依靠后方自旋电机实现机体角度调整，进而实现在空间内的行进角度改变，依靠后方传动电机实现机体沿行进角度前进后退，进而实现行进曲线的改变。
作为本发明可变刚度的同心轴机器人进一步改进，所述同心轴机器人机体为七段同心轴机器人，在七段结构中共使用六个辅助环，分别为第一辅助环、第二辅助环、第三辅助环、第四辅助环、第五辅助环和第六辅助环。
作为本发明可变刚度的同心轴机器人进一步改进，所述刚度改变辅助环根据前期计算结果拆卸和安装，前期计算过程主要包括同心轴机器人机体预弯曲计算、预弯曲基础上安装辅助环位置及辅助环供给电压。
作为本发明可变刚度的同心轴机器人进一步改进，所述同心轴机器人机体及其机身部分使用PC-ABS材料制成，辅助环由ABSplus材料制成。
本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人转向控制方法，具体步骤如下：
在前期计算的基础上，通过控制电机控制转向：控制同心轴机器人传送时，调节传动电机装置，控制传动装置速度和方向，实现同心轴机器人机体沿行进角度前进后退功能；
控制同心轴机器人自旋时，调节自旋电机装置，控制自旋装置速度和方向，实现同心轴机器人机体顺时针自旋或逆时针自旋功能；
以未放置辅助环并完成预弯曲校正的同心轴轴向方向为零度，自旋方向始终为顺时针并放置i个辅助环，控制转向在零到60度之间时，调节第一辅助环的松紧占比，当百分百调紧第一辅助环时，旋转60度；控制转向在60度到120度之间时，调节第二辅助环松紧占比，当百分百调紧第二辅助环时，旋转120度；以此类推，第i个辅助环控制的转向范围为60*(i-1)到60*i，百分百调紧时取得最大值，调节范围为零度到360度；
当自旋方向始终为逆时针时，上述调节范围依次为零度到-60度，-60度到-120度，-120度到-180度，-180度到-240度，-240度到-300度，-300度到-360度。
作为本发明可变刚度的同心轴机器人转向控制方法进一步改进：调节过程中顺时针逆时针相结合使用。
相比于现有的转向方法，本发明的特点及其有益效果为：
在机器人的转向方式，本发明使用改变刚度的辅助环来实现刚度改变，进而增加机器人姿态调整与转向的范围来进行转向的方式。
相比于常规同心轴机器人每一节使用传送和自旋两个电机控制姿态转向，该设计方案一方面可以减少转向死区范围，提高姿态灵活性，不用增加额外的同心轴个数；另外一方面节省电机个数与电机空间，进而减小整机体积，节约成本，更加方便，在制作传动装置和辅助环时，本发明使用镂空的3D打印方式，保证扭矩情况下减轻质量，节约成本，同时可以便于调整辅助环的松紧，提高调节灵敏度，方便同心轴机器人调试。
本发明采用电机平台对机器人进行拓展，此平台可以用来放置电机，安装红外传感器检测姿态等，相比于同心轴前端集成，减小工作端的体积，提高灵活性。
附图说明
图1是本发明实例中的结构示图；
图2是本发明实例的俯视图；
图3是本发明实例的前视图；
图4是本发明实例的侧视图；
图5是本发明实例的第二辅助环所在位置结构剖面图；
图6是本发明实例的辅助环结构示意图；
附图编号说明
1：工作钳手；2：第一辅助环；3：第二辅助环；4：同心轴机器人机体；5：第三辅助环；6：第四辅助环；7：第五辅助环；8：第六辅助环；9：自旋电机；10：传动电机；11：电机平台；12：辅助环锁链结构；13：辅助环弹簧结构；14：辅助环电磁铁；15：辅助环供电插口。
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：
本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人及控制方法，该机器人可以通过局部刚度变化进行行进曲线和姿态的调整。
作为本发明具体实施例，本发明提供一种可变刚度的同心轴机器人，具体如图1-4，所示，包括同心轴机器人机体、工作钳手、电机平台、传动电机、自旋电机和刚度改变辅助环(下简称辅助环)。辅助环结构如图5-6所示。
所述同心轴机器人机体由PC-ABS材料构成，天线结构前端为钳手工作部分，天线结构后端链接电机驱动部分。
所述电机共有两个，分别为自旋电机、传动电机，串行地放置在平台内部，通过直接控制同心轴机器人的机体自旋与传动进而改变同心轴机器人机体姿态；
所述辅助环有若干个，可以根据前期计算结果灵活拆卸和安装。前期计算过程主要包括机体预弯曲计算、预弯曲基础上安装辅助环位置及辅助环供给电压。以包含钳手的七段同心轴机器人结构为例，在七段结构中共使用六个辅助环，分别为第一辅助环、第二辅助环、第三辅助环、第四辅助环、第五辅助环、第六辅助环。辅助环成张紧结构，由锁链、弹簧以及电磁铁构成，通过控制辅助环供电电压正负与大小，控制两电磁极之间磁力方向以及强弱，进而实现辅助环内锁链松紧占比调整。不同松紧占比可改变所在位置刚度大小进而改变前进的角度方向，每一个辅助环调紧后最大调节为60度，随着前端顺时针自或逆时针自旋产生效果不同，百分百调紧第一辅助环以控制同心轴方向旋转60度，百分百调紧第二辅助环以控制同心轴方向在第一辅助环基础上旋转60度，以此类推，其余辅助环百分百调紧后均可在前一基础上调节60度，其余角度旋转情况可以通过调节松紧程度实现。此外，依靠后方自旋电机实现机体角度调整，进而实现在空间内的行进角度改变，依靠后方传动电机实现机体沿行进角度前进后退，进而实现行进曲线的改变。
作为本发明的进一步技术方案，所述第一到第六辅助环安装完成后，通过辅助环供电电压的正负和大小进而控制电磁铁磁力方向和强弱，进而调节锁链的松紧。
作为本发明的进一步技术方案。该方法具体如下：在前期计算的基础上，通过控制电机控制转向，控制同心轴机器人传送时，调节传动电机装置，控制传动装置速度和方向，实现同心轴机器人机体沿行进角度前进后退功能。
控制同心轴机器人自旋时，调节自旋电机装置，控制自旋装置速度和方向，实现同心轴机器人机体顺时针自旋或逆时针自旋功能。
以未放置辅助环并完成预弯曲校正的同心轴轴向方向为零度，自旋方向始终为顺时针为例，控制转向在零到60度之间时，调节第一辅助环的松紧占比，当百分百调紧第一辅助环时，旋转60度；控制转向在60度到120度之间时，调节第二辅助环松紧占比，当百分百调紧第二辅助环时，旋转120度；以此类推，第i个辅助环可以控制的转向范围为60*(i-1)到60*i，百分百调紧时取得最大值。调节范围为零度到360度。当自旋方向始终为逆时针时，上述调节范围依次为零度到-60度，-60度到-120度，-120度到-180度，-180度到-240度，-240度到-300度，-300度到-360度。实际工作可以顺时针逆时针相结合，增加调节角度的灵活性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，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，仍属于本发明所要求保护的范围。
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