一种多段线驱连续体机械臂动力学建模方法技术

本发明专利技术提出了一种多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，首先确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心位置坐标，并结合各关节段的速度和质量信息，构建多段线驱连续体机械臂的动能方程和势能方程；结合驱动空间与关节空间的映射关系，构建多段线驱连续体机械臂的广义力方程；最后，结合多段线驱连续体机械臂的动能、势能以及广义力方程，建立多段线驱连续体机械臂的动力学模型。本发明专利技术的多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，能够对一种存在强耦合效应的多段式线驱连续体机械臂建立具有高效率和精度的动力学模型，解决梁理论力学模型计算效率低的问题，同时该动力学模型利于机械臂控制系统的设计，具有很好的实时控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种多段线驱连续体机械臂动力学建模方法
本专利技术属于机械臂建模
，尤其涉及一种多段线驱连续体机械臂的动力学建模方法。
技术介绍
连续体机器人是一种模仿章鱼触手、大象鼻子等结构的新型仿生机器人，它不具有刚性连杆和关节形式，而是通过柔性本身的弹性变形，沿长度方向的连续弯曲运动，这种结构形式使机械臂具有良好的柔顺性与灵活性，适应于狭小空间非结构环境下的作业要求。连续体机器人在医疗微创手术、抢险搜救、核电站检修、深海水下作业、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前关于连续体机械臂动力学建模的分析方法主要是：1)基于Cosserat杆理论的动力学建模分析方法，多是用于肌腱驱动与气、液压驱动的连续体机械臂上，并且该情况下的弹性杆是变曲率变化的。基于Cosserat杆理论的精确动态建模需对一类二阶偏微分方程进行数值求解，其求解过程是十分费时的，从而无法进行高效求解的实时控制。2)基于常曲率假设的虚功(凯恩)原理的动力学建模方法，主要用于肌腱驱动类的连续体机械臂，一般还需在力学模型基础上进行数值模拟以利于控制系统设计。3)基于欧拉—拉格朗日的集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、将多段线驱连续体机械臂的每个关节段上的某一刚性盘与其相邻的中心弹性杆划分为一个单元，基于分段常曲率假设，确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心坐标；/n步骤2、基于质心坐标，确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心速度，结合各关节段的速度和质量信息，构建多段线驱连续体机械臂的动能方程；/n步骤3、确定连续体机械臂的各关节段的弹性势能，构建多段线驱连续体机械臂的势能方程；/n步骤4、结合驱动空间与关节空间的映射关系，构建多段线驱连续体机械臂的广义力方程；/n步骤5、结合多段线驱连续体机械臂的动能、势能以及广义...

【技术特征摘要】
1.一种多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将多段线驱连续体机械臂的每个关节段上的某一刚性盘与其相邻的中心弹性杆划分为一个单元，基于分段常曲率假设，确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心坐标；
步骤2、基于质心坐标，确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心速度，结合各关节段的速度和质量信息，构建多段线驱连续体机械臂的动能方程；
步骤3、确定连续体机械臂的各关节段的弹性势能，构建多段线驱连续体机械臂的势能方程；
步骤4、结合驱动空间与关节空间的映射关系，构建多段线驱连续体机械臂的广义力方程；
步骤5、结合多段线驱连续体机械臂的动能、势能以及广义力方程，基于欧拉—拉格朗日建模原理，构建多段线驱连续体机械臂的动力学模型。


2.根据权利要求1所述的多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述步骤1中确定连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心坐标具体为：
第n个关节段中心弹性杆上任意弧长为sn的点相对于机械臂基底盘坐标系的位置坐标为rn1＝[xnynzn1]T，其相对于第n-1个关节段受力盘末端坐标系的位置坐标为rn2＝[xn1yn1zn11]T，则基于关节空间到任务空间的正运动学分析得到：




0Tn-1＝0T1·1T2…·n-2Tn-1(2)
rn1＝0Tn-1·rn2(3)






其中，i-1Ti为第i个关节段机械臂的基坐标系O-Xi-1Yi-1Zi-1至末端坐标系O-XiYiZi的齐次变换矩阵，βi、γi分别为第i个关节段机械臂末端弯曲角度和弯曲平面转角度，cβi、cγi表示余弦函数cosβi、cosγi缩写，sβi、sγi表示正弦函数sinβi、sinγi缩写；
式(2)表示第n-1关节段机械臂关节空间至操作空间的运动学映射关系，0Tn-1为第n-1个关节段末端坐标系相对于机械臂基底盘坐标系的齐次变换矩阵；式(4)为第1个关节段中心弹性杆上任意弧长为s1的点相对于机械臂基底盘的位置坐标，sk表示各关节段上第k个单元质心点处的弧长，K为各关节段上间隔盘的个数，l为各关节段的长度，结合式(1)～(5)，得到多段线驱连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心坐标。


3.根据权利要求2所述的多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述步骤2中的构建多段线驱连续体机械臂的动能方程具体包含以下步骤：
步骤2-1、求解多段线驱连续体机械臂的每个关节段上各单元的质心速度：
由步骤1得到的第n个关节段上第k个单元质心点相对于机械臂基底盘坐标系的位置坐标表示为rnk1＝[xnkynkznk1]T，将其对时间t进行求导，得到k单元的质心速度
步骤2-2、计算第n个关节段上第k个单元上的动能：



mnk＝m0+mp+3·(N-n+1)·mc(7)
其中，mnk表示第n个关节段上第k个单元的总质量，m0、mp、mc分别表示单元上中心弹性杆、间隔盘以及驱动线缆的质量，N表示多段线驱连续体机械臂的关节段数；
由式(6)、(7)，得到整个多段线驱连续体机械臂上的动能方程：



其中，K表示各关节段上间隔盘的个数。


4.根据权利要求1所述的多段线驱连续体机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述步骤3中的构建多段线驱连续体机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁萌，余鑫，郭毓，武海雷，郭健，马国梁，吴益飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32