一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法技术

本发明专利技术公开了一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法，包括：S1：根据各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式，通过数值积分方式建立根据所述关节角速度求解所述绳索的速度的关系式；S2：基于所述机械臂的DH坐标系，建立根据所述关节角速度求解末端执行器的线速度和角速度的关系式；S3：结合步骤S1的关系式和步骤S2的关系式，建立反映所述机械臂的工作空间的单位球映射到驱动空间得到的椭球的体积的绳索驱动代价度的表达式，以根据所述绳索驱动代价的表达式来评价所述机械臂的操作性能。本发明专利技术提出的绳索驱动代价度，完整地考虑了绳驱机械臂驱动空间、关节空间和工作空间的运动性能，而且可以适用于各种类型的绳驱机械臂。

【技术实现步骤摘要】
一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法
本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法。
技术介绍
近些年来，随着科技水平的逐渐进步，复杂机械和设备层出不穷，而随之带来的检测维修，制造装配等问题日益凸显。高端制造设备其内部往往具有极其复杂的结构，同时也具有极少的空腔体积，这使得整个设备内部的环境非常有限。在这种受限环境下，目前大多数采用的检测与维修方式是人工介入，例如飞机发动机的维修方式是从机翼上将发动机进行拆卸，然后再拆解发动机，最后将发动机组装回去，整个过程带来的经济损失大约为40万美元。对于一些超低温、失重、强辐射的极端环境，人工介入会极大增加维修成本，也会严重威胁操作人员的人身安全，例如空间卫星的在轨维修与维护、核电站管道泄露的检测与维修等。对操作空间进行限制的场合还有很多，例如在医学领域，许多外科手术与微创检查都会深入人体内部进行精细操作，且在操作的过程中，要求不能触碰内壁。传统的工业机器人需要在空旷开阔的地方进行操作，很难在复杂受限的环境下执行任务，因此研究能够进入复杂受限的环境工作的机器人显得格外重要。面向狭窄作业空间的柔性绳驱机械臂在学术界与工业界受到广泛的关注。绳驱机械臂具有广泛的应用前景，具有传统的工业机械臂不具备的特点，如：良好的弯曲特性、灵活性、控制的快速响应性。这些特点使得它能在狭小空间操作，完成太空探索，水下探索，核废料处理等高难度任务。对于传统的工业机械臂有很多描述其操作性能的评价指标，如：条件数，可操作度，最小奇异值，灵巧度等等，但是对于这种绳索驱动的冗余机械臂，还没有完善成熟的评价体系，如果根据绳驱机械臂的特性，提出相应的评价指标，那么根据这个指标就能在实际机械臂控制中优化控制策略。在使用绳驱机械臂的过程中，可能复杂的工况导致绳驱机械臂的一根绳索发生断裂，如何控制这个失效的关节来最优化机械臂的操作性能，这在理论研究上和工程实践上都极具研究价值。中国专利文献CN108638067A公开了一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，包括：分析受故障关节锁定角度影响的空间机械臂单方面运动性能指标，从中选定多个指标以表征空间机械臂综合运动性能；通过对所选局部指标进行全局化处理，在构造其对应的全局波动指标的基础上，利用熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标；以单方面运动性能或综合运动性能指标为依据，基于牛顿-拉夫逊法求解空间机械臂各关节人为限位；通过人为限定常态下空间机械臂各关节的转动范围，实现空间机械臂运动性能严重退化的预防。根据本专利技术实施例提供的技术方案，可使关节锁定故障发生后空间机械臂的运动性能仍能满足在轨操作任务要求。中国专利文献CN109115476A公开了一种柔性机械臂的测试系统及其方法，此专利技术公开了一种柔性机械臂的测试系统及其方法，测试系统包括上位机、电机驱动器﹑数据采集单元，电机、力传感器和编码器，数据采集单元用于采集力传感器和编码器的数据，力传感器用于获取柔性机械臂的驱动绳的拉力，编码器用于获取电机的转动角度；上位机输出机械臂控制数据控制电机驱动器以驱动电机工作，再利用力传感器和编码器获取驱动绳的实际拉力和电机的实际转动角度，获取机械臂控制数据的误差，实现对机械臂的性能测试，保障后续机械臂的正常使用。但是上述所公开的方案中存在一些缺陷，无法适用于各种绳驱机械臂。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法，提出的绳索驱动代价度，完整地考虑了绳驱机械臂驱动空间、关节空间和工作空间的运动性能，而且可以适用于各种类型的绳驱机械臂。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的一个实施例公开了一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法，包括：S1：根据各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式，通过数值积分方式建立根据所述关节角速度求解所述绳索的速度的关系式；S2：基于所述机械臂的DH坐标系，建立根据所述关节角速度求解末端执行器的线速度和角速度的关系式；S3：结合步骤S1的关系式和步骤S2的关系式，建立反映所述机械臂的工作空间的单位球映射到驱动空间得到的椭球的体积的绳索驱动代价度的表达式，以根据所述绳索驱动代价的表达式来评价所述机械臂的操作性能。优选地，步骤S3还包括建立绳索退化驱动代价度和/或全局绳索退化驱动代价度的表达式，以根据所述绳索退化驱动代价度和/或所述全局绳索退化驱动代价度的表达式来评价当所述机械臂的任意一根绳索断裂时的操作性能。优选地，所述机械臂包括驱动基座、n个臂杆、n个关节、3n根绳索和末端执行器，n个所述关节分别连接在每相邻两个所述臂杆之间以及最端部的所述臂杆和所述末端执行器之间，3n根所述绳索的第一端均由所述驱动基座进行驱动，3n根所述绳索的第二端依次穿过所述臂杆两端设置的圆盘上的过绳孔以分别连接在n个所述关节的端部，其中每个所述关节由3根所述绳索驱动，所述臂杆的两端部以及所述末端执行器的一端分别设有旋转支架且每个所述臂杆的两端部分别设置的所述旋转支架的旋转轴相互垂直，每相邻两个所述臂杆的两个所述旋转支架之间以及最端部的所述臂杆和所述末端执行器的两个所述旋转支架之间分别通过销轴连接在万向节上以形成所述关节，且形成所述关节的每两个所述旋转支架之间相互垂直。优选地，步骤S1中各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式为：式中，vi，i为第i个关节中第i号驱动绳索的长度变化速率，vi，i+n为第i个关节中第i+n号驱动绳索的长度变化速率，vi，i+2n为第i个关节中第i+2n号驱动绳索的长度变化速率，li，i为第i个关节内第i号绳索的可变长度，li，i+n为第i个关节内第i+n号绳索的可变长度，li，i+2n为第i个关节内第i+2n号绳索的可变长度，ai是第i个关节的俯仰角，βi是第i个关节的偏航角，wiα为第i个关节的俯仰角速度；wiβ为第i个关节的偏航角速度，n为所述机械臂的关节的数量，。优选地，步骤S1中建立的根据所述关节角速度求解所述绳索的速度的关系式为：其中，vi为驱动基座驱动第i号绳索所引起的绳索速度，优选地，步骤S2中建立的根据所述关节角速度求解末端执行器的线速度和角速度的关系式为：式中，ve为末端执行器的速度矢量，ve＝[vexveyvez]T；we为末端执行器的角速度矢量，we＝[wexweywez]T；wiα为第i个关节的俯仰角速度；wiβ为第i个关节的偏航角速度，0Ji，vejα∈R6代表的是关节i的俯仰角α的关节空间到工作空间的速度雅可比矩阵，0Ji，vejβ∈R6代表的是关节i的偏航角β的关节空间到工作空间的速度雅可比矩阵，0Ji，vej＝[0Ji，vejα0Ji，vejβ]∈R6×2。优选地，步骤S3中建立的所述绳索驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法，其特征在于，包括：/nS1：根据各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式，通过数值积分方式建立根据所述关节角速度求解所述绳索的速度的关系式；/nS2：基于所述机械臂的DH坐标系，建立根据所述关节角速度求解末端执行器的线速度和角速度的关系式；/nS3：结合步骤S1的关系式和步骤S2的关系式，建立反映所述机械臂的工作空间的单位球映射到驱动空间得到的椭球的体积的绳索驱动代价度的表达式，以根据所述绳索驱动代价的表达式来评价所述机械臂的操作性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种绳驱柔性机械臂的操作性能评价方法，其特征在于，包括：
S1：根据各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式，通过数值积分方式建立根据所述关节角速度求解所述绳索的速度的关系式；
S2：基于所述机械臂的DH坐标系，建立根据所述关节角速度求解末端执行器的线速度和角速度的关系式；
S3：结合步骤S1的关系式和步骤S2的关系式，建立反映所述机械臂的工作空间的单位球映射到驱动空间得到的椭球的体积的绳索驱动代价度的表达式，以根据所述绳索驱动代价的表达式来评价所述机械臂的操作性能。


2.根据权利要求1所述的操作性能评价方法，其特征在于，步骤S3还包括建立绳索退化驱动代价度和/或全局绳索退化驱动代价度的表达式，以根据所述绳索退化驱动代价度和/或所述全局绳索退化驱动代价度的表达式来评价当所述机械臂的任意一根绳索断裂时的操作性能。


3.根据权利要求1所述的操作性能评价方法，其特征在于，所述机械臂包括驱动基座、n个臂杆、n个关节、3n根绳索和末端执行器，n个所述关节分别连接在每相邻两个所述臂杆之间以及最端部的所述臂杆和所述末端执行器之间，3n根所述绳索的第一端均由所述驱动基座进行驱动，3n根所述绳索的第二端依次穿过所述臂杆两端设置的圆盘上的过绳孔以分别连接在n个所述关节的端部，其中每个所述关节由3根所述绳索驱动，所述臂杆的两端部以及所述末端执行器的一端分别设有旋转支架且每个所述臂杆的两端部分别设置的所述旋转支架的旋转轴相互垂直，每相邻两个所述臂杆的两个所述旋转支架之间以及最端部的所述臂杆和所述末端执行器的两个所述旋转支架之间分别通过销轴连接在万向节上以形成所述关节，且形成所述关节的每两个所述旋转支架之间相互垂直。


4.根据权利要求1所述的操作性能评价方法，其特征在于，步骤S1中各个关节内绳索的长度变化率与关节角速度的关系式为：



式中，vi，i为第i个关节中第i号驱动绳索的长度变化速率，vi，i+n为第i个关节中第i+n号驱动绳索的长度变化速率，vi，i+2n为第i个关节中第i+2n号驱动绳索的长度变化速率，li，i为第i个关节内第i号绳索的可变长度，li，i+n为第i个关节内第i+n号绳索的可变长度，li，i+2n为第i个关节内第i+2n号绳索的可变长度，αi是第i个关节的俯仰角，βi是第i个关节的偏航角，wiα为第i个关节的俯仰角速度；wiβ为第i个关节的偏航角速度，n为所述机械臂的关节的数量，。


5.根据权利要求4所述的操作性能评价方法，其特征在于，步骤S1中建立的根据所述关节角速度求解所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌，王学谦，杨皓强，孟得山，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44