本發(fā)明涉及機(jī)器人，尤其涉及一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法。

背景技術(shù)：

1、區(qū)別于傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)串聯(lián)型機(jī)械臂，繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)械臂具有靈活度高、避障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在狹小空間和復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)和操作能力強(qiáng)，在航空航天制造、大型裝備檢測(cè)維護(hù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)械臂的高效建模一直是一個(gè)難題，由于繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)械臂往往同時(shí)具有剛性臂段、柔性繩索、高冗余的自由度以及各個(gè)關(guān)節(jié)或臂段間存在的強(qiáng)耦合特性等特點(diǎn)，建立其精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型往往較為復(fù)雜。同時(shí)，由于繩驅(qū)機(jī)械臂的每一小節(jié)往往由三根繩索驅(qū)動(dòng)，當(dāng)繩驅(qū)機(jī)械臂的臂段數(shù)量較大時(shí)，其驅(qū)動(dòng)繩索的數(shù)目也增加，此時(shí)由于其模型的復(fù)雜性，對(duì)于每根繩索的驅(qū)動(dòng)力的求解有求解速度慢和求解結(jié)果誤差較大等問題。進(jìn)而導(dǎo)致該機(jī)械臂的控制性能較弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了解決現(xiàn)有繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)械臂建模方法中未能實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化和高效建模的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，所述繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)有多段機(jī)械臂，每段所述機(jī)械臂設(shè)有多節(jié)單元，每節(jié)所述單元的末端圓盤由柔性驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)，所述建模方法包括以下步驟：

2、對(duì)所述繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析，構(gòu)建映射關(guān)系式；

3、考慮繩索與繩孔的摩擦力，進(jìn)行摩擦建模；

4、對(duì)相鄰兩節(jié)單元進(jìn)行靜力學(xué)建模，分析彎曲角并簡(jiǎn)化，得到彎曲角變化量表達(dá)式。

5、在一些實(shí)施例中，所述映射關(guān)系式如下：

6、

7、其中，表示第i段的繩長(zhǎng)的變化率，jqψ，i表示第i段從構(gòu)型空間到繩長(zhǎng)空間的映射矩陣，表示構(gòu)型空間變量的導(dǎo)數(shù)，o3(i-1)×2表示零矩陣，jqψ，i，i表示第i段第i節(jié)的映射矩陣，jqψ，i，j表示第i段第j節(jié)的映射矩陣。

8、摩擦建模得到的表達(dá)式如下：

9、

10、其中，表示第i個(gè)圓盤受到的第i+1個(gè)圓盤通過第，根給予的拉力表示第i個(gè)圓盤受到的第i-1個(gè)圓盤通過第，根給予的拉力μ表示摩擦系數(shù)，表示上述二者拉力的方向向量。

11、在一些實(shí)施例中，所述靜力學(xué)模型表示如下：

12、

13、其中，表示第i段機(jī)械臂的全局角速度雅可比變換矩陣，mbnd，i表示第i段機(jī)械臂彎曲產(chǎn)生的彈性力矩，rh表示繩孔在圓盤上的分布半徑，fi，j表示第i段第j根繩的驅(qū)動(dòng)力的方向，ti，j表示表示第i段第j根繩的驅(qū)動(dòng)力，表示末端外部負(fù)載力矩在第i-1段機(jī)械臂上的等效，表示第i-1段機(jī)械臂的全局旋轉(zhuǎn)矩陣，pe表示末端圓盤的全局位置矢量，pi表示第i段圓盤的全局位置矢量，fext表示末端圓盤受到的外部負(fù)載力，表示表示第i段機(jī)械臂的全局線速度雅可比變換矩陣，末端圓盤受到的外部負(fù)載力在第i-1段機(jī)械臂上的等效。

14、在一些實(shí)施例中，簡(jiǎn)化模型中彎曲角變化量表達(dá)式如下：

15、

16、其中，l表示一小段機(jī)械臂的長(zhǎng)度，e表示楊氏模量，jxx表示第二面積矩，θi表示第i段機(jī)械臂的彎曲角，表示余弦值，βj表示第j個(gè)圓盤的繩孔的分布角，本發(fā)明中為常值120度，表示第i段機(jī)械臂的彎曲平面角，表示正弦值，表示矩陣的第一項(xiàng)。

17、基于上述方案，本發(fā)明提供了一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，實(shí)現(xiàn)了有效的繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的高精度簡(jiǎn)化建模，消除了不同臂段之間的耦合關(guān)系，控制精度高；此外，只需要知道初始繩段的拉力，就可以由模型迭代出每根繩索上的拉力，在實(shí)際應(yīng)用中有助于減少傳感器的數(shù)量。

技術(shù)特征：

1.一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，其特征在于，所述繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)有多段機(jī)械臂，每段所述機(jī)械臂設(shè)有多節(jié)單元，每節(jié)所述單元的末端圓盤由柔性驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)，所述建模方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，其特征在于，所述映射關(guān)系式如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，其特征在于，摩擦模型建模得到的表達(dá)式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，其特征在于，所述靜力學(xué)模型表示如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，其特征在于，簡(jiǎn)化模型中彎曲角變化量表達(dá)式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人的建模方法，所述繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)有多段機(jī)械臂，每段所述機(jī)械臂設(shè)有多節(jié)單元，每節(jié)所述單元的末端圓盤由柔性驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)，所述建模方法包括以下步驟：對(duì)所述繩驅(qū)連續(xù)體機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析，構(gòu)建映射關(guān)系式；考慮繩索與繩孔的摩擦力，進(jìn)行摩擦建模；對(duì)相鄰兩節(jié)單元進(jìn)行靜力學(xué)建模，分析彎曲角并簡(jiǎn)化，得到彎曲角變化量表達(dá)式。通過使用本發(fā)明，能夠消除耦合項(xiàng)以及減少方程變量，提高求解速度，有助于后續(xù)的控制應(yīng)用。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：孟得山,凌崇昊,歐陽湘凱,李新亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29