一种绳驱连续体机器人的建模方法

本发明涉及机器人，尤其涉及一种绳驱连续体机器人的建模方法。

背景技术：

1、区别于传统的关节串联型机械臂，绳驱连续体机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。绳驱连续体机械臂的高效建模一直是一个难题，由于绳驱连续体机械臂往往同时具有刚性臂段、柔性绳索、高冗余的自由度以及各个关节或臂段间存在的强耦合特性等特点，建立其精确的运动学模型往往较为复杂。同时，由于绳驱机械臂的每一小节往往由三根绳索驱动，当绳驱机械臂的臂段数量较大时，其驱动绳索的数目也增加，此时由于其模型的复杂性，对于每根绳索的驱动力的求解有求解速度慢和求解结果误差较大等问题。进而导致该机械臂的控制性能较弱。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有绳驱连续体机械臂建模方法中未能实现模型简化和高效建模的技术问题，本发明提出一种绳驱连续体机器人的建模方法，所述绳驱连续体机器人设有多段机械臂，每段所述机械臂设有多节单元，每节所述单元的末端圆盘由柔性驱动绳索驱动，所述建模方法包括以下步骤：

2、对所述绳驱连续体机器人进行动力学建模分析，构建映射关系式；

3、考虑绳索与绳孔的摩擦力，进行摩擦建模；

4、对相邻两节单元进行静力学建模，分析弯曲角并简化，得到弯曲角变化量表达式。

5、在一些实施例中，所述映射关系式如下：

6、

7、其中，表示第i段的绳长的变化率，jqψ，i表示第i段从构型空间到绳长空间的映射矩阵，表示构型空间变量的导数，o3(i-1)×2表示零矩阵，jqψ，i，i表示第i段第i节的映射矩阵，jqψ，i，j表示第i段第j节的映射矩阵。

8、摩擦建模得到的表达式如下：

9、

10、其中，表示第i个圆盘受到的第i+1个圆盘通过第，根给予的拉力表示第i个圆盘受到的第i-1个圆盘通过第，根给予的拉力μ表示摩擦系数，表示上述二者拉力的方向向量。

11、在一些实施例中，所述静力学模型表示如下：

12、

13、其中，表示第i段机械臂的全局角速度雅可比变换矩阵，mbnd，i表示第i段机械臂弯曲产生的弹性力矩，rh表示绳孔在圆盘上的分布半径，fi，j表示第i段第j根绳的驱动力的方向，ti，j表示表示第i段第j根绳的驱动力，表示末端外部负载力矩在第i-1段机械臂上的等效，表示第i-1段机械臂的全局旋转矩阵，pe表示末端圆盘的全局位置矢量，pi表示第i段圆盘的全局位置矢量，fext表示末端圆盘受到的外部负载力，表示表示第i段机械臂的全局线速度雅可比变换矩阵，末端圆盘受到的外部负载力在第i-1段机械臂上的等效。

14、在一些实施例中，简化模型中弯曲角变化量表达式如下：

15、

16、其中，l表示一小段机械臂的长度，e表示杨氏模量，jxx表示第二面积矩，θi表示第i段机械臂的弯曲角，表示余弦值，βj表示第j个圆盘的绳孔的分布角，本发明中为常值120度，表示第i段机械臂的弯曲平面角，表示正弦值，表示矩阵的第一项。

17、基于上述方案，本发明提供了一种绳驱连续体机器人的建模方法，实现了有效的绳驱连续体机器人的高精度简化建模，消除了不同臂段之间的耦合关系，控制精度高；此外，只需要知道初始绳段的拉力，就可以由模型迭代出每根绳索上的拉力，在实际应用中有助于减少传感器的数量。

技术特征：

1.一种绳驱连续体机器人的建模方法，其特征在于，所述绳驱连续体机器人设有多段机械臂，每段所述机械臂设有多节单元，每节所述单元的末端圆盘由柔性驱动绳索驱动，所述建模方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种绳驱连续体机器人的建模方法，其特征在于，所述映射关系式如下：

3.根据权利要求2所述一种绳驱连续体机器人的建模方法，其特征在于，摩擦模型建模得到的表达式如下：

4.根据权利要求3所述一种绳驱连续体机器人的建模方法，其特征在于，所述静力学模型表示如下：

5.根据权利要求4所述一种绳驱连续体机器人的建模方法，其特征在于，简化模型中弯曲角变化量表达式如下：

技术总结本发明公开了一种绳驱连续体机器人的建模方法，所述绳驱连续体机器人设有多段机械臂，每段所述机械臂设有多节单元，每节所述单元的末端圆盘由柔性驱动绳索驱动，所述建模方法包括以下步骤：对所述绳驱连续体机器人进行动力学建模分析，构建映射关系式；考虑绳索与绳孔的摩擦力，进行摩擦建模；对相邻两节单元进行静力学建模，分析弯曲角并简化，得到弯曲角变化量表达式。通过使用本发明，能够消除耦合项以及减少方程变量，提高求解速度，有助于后续的控制应用。本发明可广泛应用于机器人控制领域。技术研发人员：孟得山,凌崇昊,欧阳湘凯,李新亮受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29