一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法技术

本发明专利技术涉及一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，包括：构建机械臂运动学模型，并基于逆运动学对所述机械臂运动学模型进行求解，得到逆运动学关系模型；基于所述逆运动学关系模型，构建不动点压缩迭代映射模型，获取位形空间变形量；将所述位形空间变形量代入所述逆运动学模型，获得驱动空间变形补偿后的期望轨迹，基于所述期望轨迹对变形量进行实时补偿。本发明专利技术提出一种伺服刚度控制的方法，能够使机械臂对负载的反应能力进行调节，相较于传统的刚度控制，该方法更适用于机械臂与环境或者人接触的场合下。通过这种方法本发明专利技术能够使执行器同时实现精准、柔顺的交互操作，并且提高了交互操作的安全性。交互操作的安全性。交互操作的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法


[0001]本专利技术涉及多自由度绳索驱动机械臂控制
，特别是涉及一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法。

技术介绍

[0002]传统的刚性关节机械臂由于结构尺寸大、柔顺性低以及驱动惯性力大等原因，在空间狭小、复杂等受限环境中开展作业受到了极大的限制。根据仿生学的设计理念，具有多自由度类似蛇形的机械臂具有极强的环境适应能力，能够在复杂作业环境中灵活运动，这类机械臂在探测、医疗急救、舱内维修等方面具有很强的实用价值，是能够代替人类在受限环境或者危险环境中作业的重要工具。相比于传统机械臂，这类机械臂在操作空间、刚度控制和可操作性上都具有很大的灵活性和很高的性能，并且该类机械臂与环境的实时交互更强，具有执行复杂工作的能力。由于这类机械臂的串联关节通常采用绳索、压缩气体等方式进行驱动，因此具有很好的柔顺性。而正是由于机械臂的整体结构不是刚性连接，当机械臂末端有负载时，机械臂的精度会有一定程度的降低。根据国内外研究现状，对蛇形机器臂的精准刚度控制方法并不完善，使机械臂在应用过程中高精度操作面临很大的技术挑战。
[0003]现有技术中的方法须通过在机械臂工作空间中随机给定位姿和关节角度，需要测量实际位姿并对误差进行辨识。在测量过程中采样点具有不确定性，并且测量元件也会存在偶然误差和系统误差，会对辨识出的误差有所影响，进而影响机械臂的定位精度。并且采样点的选取数量会对精度补偿有显著的影响，对采样点的参数测量比较耗时，该方法全局精度较低。
[0004]现有技术中的方法需选择采样点进行点位误差测量，并对人工智能模型进行训练，但这种方法比较依赖于采样数据点的数量，并且忽略了机械臂的结构特点和运动特性。人工智能模型，研究还不够成熟，无法广泛应用于工业机械臂中。
[0005]基于以上研究，本专利技术在多自由度蛇形机械臂上设计了一种精度补偿的控制方法，对机械臂的伺服刚度进行控制，同时基于机械臂的运动学模型和动力学模型建模分析，对末端变形量进行实时估计并实时补偿，使机械臂的末端定位精度显著提高。该方法能够使机械臂在使用过程中即精准又柔顺，不仅能够满足工业中结构化作业环境，并且适用于需要与环境交互的复杂工况，实现机械臂的高精度和高性能运作。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是多自由度蛇形机械臂的多个串联关节通常采用绳索、压缩空气等方式进行驱动，在机械臂末端施加外力负载或者机械臂本体处于悬臂状态时，由于机械臂整体结构并不是刚性连接方式，机械臂末端会存在一定的变形，导致机械臂末端控制精度降低，针对多自由度蛇形机械臂精度控制技术存在的不足，本专利技术旨在提供一种对类蛇形机械臂精确建模分析并能够实时控制应用的精度补偿方法。该补偿方法适用于冗余驱动连续体机械臂等，建模思想和补偿方法具有很好的通用性。
为已知名义位形空间位置，θ为机械臂变形后位形空间的位置，τ
G
(θ)为驱动钢丝拉动对象的重力矩，为动平台所受到的外力矩。
[0032]优选地，获取所述位形空间变形量包括：
[0033]基于所述不动点压缩迭代映射模型，获取位置运动学的迭代关系，基于所述位置运动学的迭代关系，获得所述蛇形机械臂的实际位形空间位置，对所述实际位形空间位置进行迭代，得到所述位形空间变形量。
[0034]优选地，对所述实际位形空间位置进行迭代包括：
[0035][0036]其中，θ0为已知名义位形空间位置，θ为机械臂变形后位形空间的位置，为机械臂位形空间刚度的逆矩阵，τ
G
为驱动钢丝拉动对象的重力矩，F
e
(θ
k
(t))为动平台所收到的外力矩，θ
k
(t)和θ
k+1
(t)分别为迭代映射公式中第k次迭代值和第k+1次迭代值，实际含义为位形空间关节角度。
[0037]优选地，基于所述期望轨迹对变形量进行实时补偿包括：
[0038]将所述位形空间变形量代入到所述逆运动学模型，基于所述逆运动学模型计算所述位形空间变形量，得到所述蛇形机械臂在驱动空间变形补偿后的期望轨迹，基于所述期望轨迹对蛇形机械臂进行协调阻抗控制，控制所述伺服刚度进行精度补偿。
[0039]优选地，基于所述期望轨迹对蛇形机械臂进行协调阻抗控制包括：
[0040]基于所述逆运动学模型，调节所述驱动空间位置，获得位形空间的期望位置，并逆解所述逆运动学模型，获得所述蛇形机械臂的钢丝移动距离，通过电机编码器对所述钢丝移动距离进行测量，得到实际位置；
[0041]将所述期望位置与所述实际位置相减，得到位置误差，计算所述位置误差，得到速度误差，将所述位置误差和所述速度误差输入到阻抗控制器中，并确定所述阻抗控制器的参数，得到关节执行器的驱动拉力，通过拉力传感器对所述蛇形机械臂的钢丝进行测量，得到实时拉力；
[0042]基于所述驱动拉力和所述实时拉力的差值，对所述蛇形机械臂进行协调阻抗控制。
[0043]本专利技术的有益效果为：
[0044]1.本专利技术提出伺服刚度控制，能够使机械臂对负载的反应能力进行调节，相较于传统的刚度控制，该伺服刚度控制更适用于机械臂与环境或者人接触的场合下,通过伺服刚度控制能够使执行器同时实现精准、柔顺的交互操作，并且提高了交互操作的安全性。
[0045]2.通过对机械臂刚度模型的分析，在实际操作过程中可以对位形空间的伺服刚度进行控制，使机械臂具有更好的运动性能；
[0046]3.本专利技术通过构建迭代映射对变形量进行实时估计，更新变形补偿后的轨迹，有效减小了机械臂末端的位置误差，提高了机械臂末端的定位精度。相较于传统的标定方法，避免了不适用于整个工作空间实现高精度补偿的缺点；通过此方法可以在应用过程中对变形量进行实时的补偿，针对不同应用场景都有很好的定位精准性。
[0047]4.本专利技术可在机械臂运作过程中对精度进行实时补偿，其中包含的迭代求解只需很少的迭代次数就可以达到满意的精度。在应用中迭代过程简便，简化了计算过程的复杂
性。
附图说明
[0048]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]图1为本专利技术实施例的一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法流程图；
[0050]图2为本专利技术实施例的蛇形机械臂的变形情况；
[0051]图3为本专利技术实施例的多自由度蛇形机械臂单个关节并联机构示意及齐次变换矩阵表示；
[0052]图4为本专利技术实施例的多自由度蛇形机械臂单个关节的力学简图；
[0053]图5为本专利技术实施例的阻抗控制框图；
[0054]图6为本专利技术实施例的单个关节执行器的驱动结构。
具体实施方式
[0055]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，包括：构建机械臂运动学模型，并基于逆运动学对所述机械臂运动学模型进行求解，得到逆运动学关系模型；基于所述逆运动学关系模型，得到位形空间刚度，构建不动点压缩迭代映射模型，获取位形空间变形量；将所述位形空间变形量代入所述逆运动学模型，获得驱动空间变形补偿后的期望轨迹，基于所述期望轨迹对变形量进行实时补偿。2.根据权利要求1所述的多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，建立所述机械臂运动学模型包括：获取蛇形机械臂的单个关节连接关系，基于所述单个关节连接关系，得到中间坐标系，对所述中间坐标系进行计算，建立关节坐标系，得到所述机械臂运动学模型；所述机械臂运动学模型的表达式为：其中，c为cos,s为sin,L为具有对称外形的万向关节的一半长度，θ1和θ2为位形空间广义坐标。3.根据权利要求2所述的多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，得到所述逆运动学模型包括：基于逆运动学对所述机械臂运动学模型进行求解，得到所述逆运动学模型；所述逆运动学模型表达式为：l＝f(θ)其中，l∈R3为驱动空间坐标，θ∈R2为位形空间坐标。4.根据权利要求3所述的多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，构建所述不动点压缩迭代映射包括：对所述蛇形机械臂进行力学分析，建立期望闭环系统，基于所述期望闭环系统，建立阻抗控制模型；基于所述阻抗控制模型和所述逆运动学模型对所述蛇形机械臂进行协调阻抗控制，对所述度蛇形机械臂的位置、力、伺服刚度进行控制；计算所述伺服刚度，得到所述位形空间刚度，基于所述位形空间刚度，构建不动点压缩迭代映射模型。5.根据权利要求4所述的多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，建立所述期望闭环系统的方法为：其中为阻抗系统的期望惯性、阻尼和刚度，e
i
为位置误差，为速度误差，为加速度误差,F
ei
为钢丝绳拉动对象所受到的外负载力在该钢丝绳上的分量。6.根据权利要求4所述的多自由度蛇形机械臂的精度补偿方法，其特征在于，构建不动
点压缩迭代映射模型的方法为：其中，K
θ
为机械臂位形空间的刚度，Δθ＝θ
‑
θ0为机械臂位形空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：何广平，胡紫阳，马楠，袁俊杰，宋国庆，王建辉，赵成浩，胡勇，胡海霞，汤亮，魏春岭，张海博，徐拴锋，朱世清，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：