用于探测大型空间资产的仿藤蔓充气臂系统及其控制方法

本发明属于软体机器人，涉及一种充气式机械臂，尤其涉及一种用于探测大型空间资产的仿藤蔓充气臂系统及其控制方法。

背景技术：

1、机械臂可以代替人工在未知区域实现探测，是航天领域的重要设备，且近年来得到长足发展。传统的刚性机械臂虽然是探测领域内的重量力量，但其重量大、体积大、环境顺应性有限，且在轨的刚性机械臂不具备全域探测大型空间资产的能力。而充气式机械臂具备重量小、体积小、柔顺性较好且展开长度大的特点，在大范围探测活动中具备相当的优势；但是现有的充气式机械臂由于刚性低导致空间探测精度差和探测效率低，例如中国专利cn110900654a公开的“一种充气式柔性轻质机械臂”，具体公开了“气压回路模块、相机、瘦人工肌肉、气囊体、机座、气囊充气罐、输气管道、树脂垫片、空气压缩机、电线、电源，瘦人工肌肉通过树脂垫片连接于气囊体，使机械臂得以驱动，瘦人工肌肉的驱动力来源于气压回路模块通过输气管道所提供的压缩空气，压缩空气来源于空气压缩机，机械臂的连杆是采用充入氦气的气囊体，气囊体具有自重补偿能力，相机安装于机械臂的最末端，通过电线连接到机座的电源上；整个充气式柔性轻质机械臂固定于机架上。”，此专利的臂体仅通过气囊体内部的充气量实现刚度的改变，此种结构形式仅适合较短充气臂的设计，一旦臂体的长度加长，整体的刚性就会降低，易发生屈曲，无法快速且精确的实现大空间的探测，同时要想将重量相对较大的尖端探测器附着在机械臂的尖端并实现探测成为了一种挑战；另外，在较短机械臂充气量较大的情况下，虽然保证了机械臂的刚度，但是机械臂的转动范围受到极大限制。且目前收纳臂杆及其他设备的基座的集成度较低，携带不便。在保证传感器附着在尖端的基础上，增大刚度变化范围及提高基座集成度，对于航天领域的探测工作有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题，提供一种用于探测大型空间资产的仿藤蔓充气臂系统，基于臂体主腔体与变刚度气囊的压差，改变变刚度层组所受的挤压力，进而改变变刚度层组内相邻两个摩擦材料层间的最大静摩擦力，从而改变驱动两个摩擦材料层间产生相对滑动的驱动力，进而改变每节臂体的刚度，避免屈曲情况的发生，增加充气式机械臂的探测精度。

2、本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

3、一种用于探测大型空间资产的仿藤蔓充气臂系统，它包括基座、充气式机械臂、转向驱动机构、长度调节机构、尖端探测机构、气控机构和计算机控制模块；所述充气式机械臂的一端安装在基座上，并与气控机构相连接，充气式机械臂的另一端伸出基座，并与尖端探测机构相连接，所述的转向驱动机构安装在基座上，并用于充气式机械臂关节处的弯曲；所述的长度调节机构安装在基座内，用于充气式机械臂的收回及伸长；所述的气控机构安装基座上，并为充气式机械臂提供气源和调整充气式机械臂的刚度；所述的计算机控制模块用于接收充气式机械臂、尖端探测机构和气控机构反馈的信号，并对气控机构、转向驱动机构和长度调节机构进行控制，以实现目标的精准探测；

4、所述的充气式机械臂是由多节筒状的臂体串联而成，且臂体间的内腔相连通，充气式机械臂的内部整体形成一个连通的臂体主腔体，处于首节的臂体的端部做密封处理，并内翻到臂体主腔体内，充气式机械臂的密封端与长度调节机构相连接。

5、优选地，每节臂体内沿圆周方向设置有若干个密封腔，相邻的两个密封腔相通，并整体形成一个变刚度气囊；每个密封腔内布置有一个变刚度层组，且每个变刚度层组固定在密封腔的外层内壁处；所述的变刚度层组是由多个摩擦材料层叠加而成；基于臂体主腔体与变刚度气囊间的压差，实现每节臂体刚度的改变。

6、优选地，所述充气式机械臂的外壁上沿长度方向绑扎有多根关节箍绳，每根关节箍绳处于相邻两节臂体连接的位置处，每个关节箍绳所在的位置为机械臂的关节，所述关节的外径小于臂体的外径。

7、优选地，所述的转向驱动机构包括n个转向驱动单元，n个所述的转向驱动单元周向均匀布置在充气式机械臂靠近尾端的一侧；每个转向驱动单元包括转向控制舵机、绕线辊、多个导向管和驱动绳索，所述的转向控制舵机固定安装在基座内的密封舱上，转向控制舵机的舵盘与绕线辊的一端端部固定连接；多个所述的导向管沿着充气式机械臂的轴线方向布置在充气式机械臂的外壁上；驱动绳索的一端缠绕在绕线辊上，驱动绳索的另一端穿过导向管并与充气式机械臂的密封端固定连接；所述转向控制舵机的信号输入端与计算机控制模块的信号输出端连接，计算机控制模块发送信号给各个转向控制舵机来调整机械臂弯曲的方向。

8、优选地，每节臂体内的变刚度层组沿圆周方向均分成n份，所述的驱动绳索处于相邻两份变刚度层组之间的缝隙处。

9、优选地，所述的长度调节机构安装在基座内的密封舱内，其包括长度控制舵机、动力传递轴、臂杆回收线轴和绳索，长度控制舵机的舵盘与动力传递轴的一端端部固定连接；所述的臂杆回收线轴套在动力传递轴上并与动力传递轴固定连接，所述绳索的一端缠绕在臂杆回收线轴上，另一端穿出密封舱并伸入到充气式机械臂的臂体主腔体内，与充气式机械臂的密封端进行固定连接；所述长度控制舵机的信号输入端与计算机控制模块的信号输出端连接，计算机控制模块发送信号给长度控制舵机，并在气控机构的配合下主动调整充气式机械臂的回缩和辅助调整充气式机械臂的伸长。

10、优选地，所述的尖端探测机构包括外部支撑架、内部支撑架和微型相机，所述的内部支撑架设置在充气式机械臂的臂体主腔体内，并处于尖端的位置处，所述的外部支撑架设置在充气式机械臂外部尖端的位置处，外部支撑架与内部支撑架吸合在一起，实现位置的固定；所述的微型相机固定安装在外部支撑架上。

11、优选地，所述的外部支撑架包括三爪支架、六根连接轴一和六个磁辊一，其中三根连接轴一分别安装在三爪支架的三个爪上，另外三根连接轴一周向均匀安装在三爪支架中安装盘的底部，每根连接轴一上套装有一个磁辊一，并可相对转动；所述的三爪支架套在充气式机械臂的端部，三爪支架的三个爪将充气式机械臂的尖端包裹住；三爪支架的每个爪处于相邻的两根驱动绳索之间，所述的磁辊一抵接在充气式机械臂的外表面上；

12、所述的内部支撑架包括环形圆盘、六根连接轴二和六个磁辊二，未外翻的臂体部分穿过环形圆盘，其中三根连接轴二周向均匀安装在环形圆盘的外圆周壁上，另外三根连接轴二周向均匀安装在环形圆盘朝向充气式机械臂尖端的盘面上，每根连接轴二上套装有一个磁辊二，所述的磁辊二抵接在充气式机械臂的内壁处；所述的内部支撑架处于三爪支架中三个爪所围合的区域内，内部支撑架中的每个磁辊二与外部支撑架中的每个磁辊一一一对应设置，并相互磁吸在一起。

13、优选地，所述的气控机构包括空气压缩机、过滤减压阀、m个电磁比例阀和m个气压传感模块；所述的空气压缩机通过气管与基座上的过滤减压阀连接，过滤减压阀通过气路板与m个电磁比例阀连接，其中一个电磁比例阀通过气管一与基座内的密封舱相连通，所述的密封舱与臂体主腔体相连通，所述其中一个电磁比例阀用来调整臂体主腔体内的气压，控制充气机械臂的外翻运动；其余的电磁比例阀分别通过一根穿过密封舱以及臂体主腔体的气管二与每节臂体上的其中一个密封腔相连通；所述其余的电磁比例阀用来调整变刚度气囊内的气压，进而控制每节臂体的刚度；每个电磁比例阀与一个气压传感模块电连接；所述电磁比例阀的信号输入端与计算机控制模块的信号输出端连接，所述气压传感模块的信号输出端与计算机控制模块的信号输入端连接。

14、一种用于探测大型空间资产的仿藤蔓充气臂系统的控制方法，具体控制过程如下：

15、步骤1，确定目标位置，并估算出机械臂的长度和臂体主腔体内的气压；

16、步骤2，向密封舱内注气，密封舱内的气体进入到臂体主腔体内；同时，长度调节机构实现放绳动作，充气式机械臂外翻，实现臂体长度的增长，直至达到预先确定的长度，同时尖端探测机构沿着充气式机械臂的壁面移动，保证尖端探测机构始终处于充气式机械臂的尖端；

17、步骤3，停止向臂体主腔体内注气，确定臂体主腔体内的气压；

18、步骤4，判断充气式机械臂上的尖端探测机构是否到达期望位置，如果是，则开始探测活动，控制结束；否则进行下一步；

19、步骤5，向每节臂体的变刚度气囊内充气，确定每节臂体内的气压，进而确定臂体主腔体与变刚度气囊之间的压差；

20、步骤6，根据目标位置，确定充气式机械臂的转向关节、转向关节的转角以及转向关节两侧的臂体；

21、步骤7，对除了与转向关节相连的两节臂体的所有臂体进行抽气，臂体主腔体与相应的变刚度气囊之间的压差增加，进而增加相应臂体的刚度，与转向关节相连的两个臂体的刚度小于其余臂体的刚度；

22、步骤8，计算机控制模块控制其中一个转向驱动机构进行收线动作，充气式机械臂在转向关节处转动，确定充气式机械臂的位姿并发送给计算机控制模块，确定充气式机械臂上的尖端探测机构是否到达期望位置，若达到期望位置，则控制结束，开始探测活动，否则返回步骤6；

23、步骤9，对与转向关节相连的两个臂体内的变刚度气囊进行抽气，使得臂体主腔体与此两个变刚度气囊之间的压差增加，进而增加此两个臂体的刚度，实现形状锁定；

24、步骤10，尖端探测机构通过无线网络获取探测画面，并传输给计算机控制模块；

25、步骤11，探测完毕后，降低臂体主腔体内的气压，同时通过计算机控制模块控制沿着机械臂尾端至尖端方向的每节臂体的刚度，使其逐渐减小，同时计算机控制模块控制长度调节机构进行收绳动作，机械臂的尖端产生内翻运动，实现机械臂整体长度的变短，进而实现机械臂的收回。

26、本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

27、1、本发明中的机械臂主体采用充气式结构，并可主动缩回至基座中，具有轻量化、成本低且操作简单的特点，其较高的柔顺性也为大型空间资产薄弱处的探测工作提供了可能。

28、2、本发明整体结构集成化高，其中质量相对较重的转向驱动机构布置在基座上、长度调节机构和气控机构集中布置在基座内，且基座主体采用局部镂空的设计，降低重量的同时提升设计感；尖端探测机构布置在机械臂的尖端，机械臂通过质量较轻的绳进行驱动，机械臂实现轻量化；整个装置的体积小并且收纳性好，方便带入太空环境。

29、3、本发明中的机械臂本体具备变刚度范围大的优势，在变刚度层组中摩擦材料层的数量和尺寸确定的情况下，其中机械臂本体刚度的改变是由三方面决定的，一是机械臂中臂体主腔体内的气压，气压越大则整个机械臂的刚度越大，但对于每节臂体的刚度影响较小；二是基于臂体主腔体与变刚度囊体的压差，压差越大，对每个密封腔内变刚度层组的挤压力越大，变刚度层组内摩擦材料层间的最大静摩擦力越大，臂体的刚度越大；三是摩擦材料层的摩擦系数，摩擦系数越大，变刚度层组内摩擦材料层间的最大静摩擦力越大，臂体的刚度越大；本发明采用层阻塞方式可以有效增大刚度变化范围。

30、4、本发明中的机械臂本体具备转向角度大的特点，本发明利用关节箍绳分割出机械臂的关节，不仅使得主体更加稳定，同时由于关节的外径小于臂体的外径，在绑扎过程中，增加了关节处的褶皱，使得机械臂转向行为更易进行，同时在转向关节两侧臂体刚度的配合下，转向角度更大。

31、5、本发明中的尖端探测机构采用磁吸的方式安装在机械臂的尖端，在机械臂伸长的过程中，尖端探测机构与机械臂的壁面之间发生相对运动，保证其始终处于机械臂的尖端，实现目标的探测；另外，由于三爪支架和环形圆盘的设计形式及布置方式，使得尖端探测机构与机械臂之间安装稳定，可以有效避免尖端探测机构在运动过程中与导向管以及气管发生干涉问题，以及磁辊磁吸的方式，能适应仿藤蔓充气臂的运动方式，解决现有的变刚度方式与尖端安装传感器之间的矛盾，同时，不使用标准紧固件的设计方式使其具有较小的重量，有效降低了尖端负载，为探测活动提供了保障。

32、6、本发明中的充气式机械臂可以根据探测目标的位置，仿照藤蔓的生长方式，采用外翻方式改变自身的长度，可以实现大范围的探测。