(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210710967.3 (22)申请日 2022.06.22 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 陈燕虎　武鑫　唐溢禹　汤子安　 郑子豪　 (74)专利代理 机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 专利代理师 彭剑 (51)Int.Cl. B25J 9/00(2006.01) B25J 9/10(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 15/02(2006.01)B25J 15/10(2006.01) B63C 11/52(2006.01) (54)发明名称 一种基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂 系统及控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于刚性折叠机构的水 下柔性机械臂系统及控制方法， 包括防水云台基 体、 刚性可折叠机构和绳驱动控制模块； 刚性可 折叠机构包括若干层线性叠加的刚性可折叠单 元， 层与层之间的刚性可折叠单元通过合页铰 接； 每层刚性可折叠单元包括八个成环形布置的 可变形模块， 每个可变形模块包括四块刚性等腰 梯形片， 四块刚性等腰梯形片的侧面依次通过合 页铰接形成四棱台结构的可变形模块； 四棱台结 构的顶面朝向环形中心， 四棱台结构的底面背向 环形中心； 用 绳驱动的方式， 实现刚性可折叠机 构的伸缩弯曲以及机械爪的开合动作。 本发明具 有柔性机械臂自由度高、 运动灵活的特点， 同时 具有刚性结构的优点。 权利要求书3页 说明书6页 附图6页 CN 115026797 A 2022.09.09 CN 115026797 A 1.一种基于 刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 包括防水云台基体、 刚 性可折叠 机构和绳驱动控制模块； 所述刚性可折叠机构包括若干层线性叠加的刚性可折叠单元， 层与层之间的刚性可折 叠单元通过合页铰接； 每层刚性可折叠单元包括八个成环形布置的可变形模块， 每个可变 形模块包括四块刚性等腰梯形片， 四块刚性等腰梯形片的侧面依次通过合页铰接形成四棱 台结构的可变形模块； 每层刚性可折叠单元八个可变形模块成环形布置时， 四棱台结构的 顶面朝向环形中心， 四棱台结构的底面背向环形中心； 底层刚性可折叠单元的下端面通过安装板 固定在防水云台基体上， 所述的绳驱动控制 模块设置在防水云台基 体内部； 刚性可折叠机构上穿设有第 一驱动绳和第 二驱动绳， 所述第 一驱动绳和第 二驱动绳的 下端穿过安装板后与绳驱动控制模块连接； 第一驱动 绳和第二驱动 绳的上端分别依次穿过 各层刚性可折叠单元中的至少部分等腰梯形片， 用于牵动刚性可折叠单元的至少一侧折叠 缩短； 通过控制第一驱动绳、 第二驱动绳的伸长和缩短实现刚性可折叠 机构的弯曲； 顶层刚性可折叠单元的环形中心处设有机械爪， 所述的机械爪与第 三驱动绳的上端连 接， 第三驱动绳的下端穿过安装板与绳驱动控制模块连接， 通过控制第三驱动绳的伸长与 缩短实现机 械爪的张开与闭合。 2.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 所述 的绳驱电路控制模块包括单片 机和三个直流减速电机， 三个直流减速电机的输出轴分别与 第一驱动绳、 第二驱动绳和第三驱动绳的下端连接 。 3.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 所述 的机械爪包含三个夹爪， 每个夹爪的下部设有两个安装孔， 其中一个安装孔与安装块的一 端铰接， 安装块的另一端铰接在固定板上； 另一个安装孔与固定在 控制杆上的固定块铰接； 所述的固定板固定在顶层刚性可折叠单元的上端面， 所述控制杆的下端穿过固定板后与第 三驱动绳的上端连接； 所述控制杆在安装板和固定块之间的位置套设有弹簧。 4.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 相邻 刚性可折叠单元之 间排列在同一直线 上的各个可变形模块分为一组， 相互正对的两组可变 形模块分别对应穿设有第一驱动绳和第二驱动绳。 5.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 顶层 和底层刚性可折叠单 元上的可变形模块中， 设有角度传感器。 6.根据权利要求1所述的基于刚性折叠机构的水下柔性机械臂系统， 其特征在于， 合页 铰接结构内设有用于使柔 性单元保刚性可折叠单 元及可变形模块保持拉伸状态的扭簧。 7.一种水下柔性机械臂系统的控制方法， 其特征在于， 基于权利要求1～6任一所述的 基于刚性 折叠机构的水 下柔性机械臂系统， 该控制方法包括： 通过坐标系齐次变换矩阵的方法对刚性可折叠 机构进行正 运动学建模； 根据构建的模型， 绳驱动控制模块控制第一驱动绳和第二驱动绳的伸缩， 使刚性可折 叠机构弯曲至 机械爪到达抓取位置； 绳驱动控制模块控制第三驱动绳收缩， 机 械爪进行抓取。 8.根据权利要求7所述的水下柔性机械臂系统 的控制方法， 其特征在于， 通过坐标系齐 次变换矩阵的方法对刚性可折叠 机构进行正 运动学建模的具体过程 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115026797 A 2通过角度传感器测得顶层和底层刚性可折叠单元中可变形模块的下部面 ‑面角分别为 B11， B21， 进一步根据几何关系求得对应可变形模块中的上部面 ‑面角B12， B22； 通过这两个面 ‑面角的大小以及相应的几何关系得到机械爪所在位置在基准空间坐标 系中的坐标， 公式为： 其中， P1、 P2为包含刚性可折叠机构顶层 两端的坐标的4 ×1向量， 即齐次坐标， 它们坐标 连线的中点即机械爪所在位置的坐标； T1、 T2为刚性可折叠机构底层两端相对 于基准空间坐 标系的坐标系齐次变换矩阵； Tb11， Tb21， Tb12， Tb22为基于已知面 ‑面角B11， B21， B12， B22的坐标系 齐次变换矩阵； Tn为基于层与层之间倾斜角的坐标系齐次变换矩阵， layer为层数， 向量 提取坐标系齐 次变换矩阵中位置的平移变换， 即位置的坐标； 向量 中x， y， z即机械爪所 在位置的坐标。 9.根据权利要求8所述的水下柔性机械臂系统的控制方法， 其特征在于， Tb矩阵具体如 下： m,n,k满足： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115026797 A 3