一种基于扭线驱动系统的运动控制方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于扭线驱动系统的运动控制方法及其应用，该方法包括：1、以扭线驱动机构为基础建立五维射影空间，对射影空间中一般直线的Pl

【技术实现步骤摘要】
一种基于扭线驱动系统的运动控制方法及其应用


[0001]本专利技术属于柔性驱动技术运动控制领域，具体的说是一种基于扭线驱动系统的运动控制方法及其应用。

技术介绍

[0002]传统的机器人驱动器以电机为主，需要刚性及复杂的减速传动机构，驱动器的体积大，且重量及复杂程度都较高。扭线驱动系统能够以较为简单的系统结构实现较高性能的线性传输，可以通过旋转电机获取的较低扭矩产生具有较高拉力的线性运动，从而满足高度集成的机电设备对输出速度和力的广泛要求。一般来说，建立系统运动控制方程，可以实现驱动系统的驱动过程较为精确的运动分析及控制。然而，扭线驱动系统运动过程具有较为明显的非线性性，根据传统的运动学分析方法，其运动控制方程计算过程繁琐、误差较大，不易建立较为精确的扭线驱动系统运动方程。此外，扭线驱动系统传统运动学分析方法对系统运动过程描述不够直观，运动参数之间的关系不够清晰，运动过程的控制不够准确，且控制稳定性较差，从而给扭线驱动系统的研究带来了较大阻碍，限制了扭线驱动系统的发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于扭线驱动系统的运动控制方法及其应用，以期能对驱动速度、力、位置参数实现精确控制，从而能降低系统控制的复杂性，提高控制的准确性和稳定性，以解决现有技术中控制误差较大、控制不稳定的问题。
[0004]本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：
[0005]本专利技术一种基于扭线驱动系统的运动控制方法的特点在于，是按以下步骤进行：
[0006]步骤1：构建所述扭线驱动系统的五维射影空间坐标系P5：
[0007]以所述扭线驱动系统的旋转中心轴的末端为原点O，以平行于旋转中心轴的方向为Z轴，以垂直于Z轴且经过原点O的一条直线为X轴，并以垂直于X轴、Z轴且经过原点O的直线为Y轴，建立全局空间坐标系O
‑
XYZ；
[0008]以所述扭线驱动系统中扭线上的任意一个位置点处为原点P，以平行于Z轴且经过原点P的直线为z轴，以平行于X轴并经过原点P的直线为x轴，并以垂直于x轴、z轴且经过原点P的直线为y轴，建立射影空间坐标系P
‑
xyz；
[0009]由所述全局空间坐标系O
‑
XYZ和所述射影空间坐标系P
‑
xyz构成五维射影空间坐标系P5；
[0010]步骤2：建立所述扭线在射影空间坐标系P
‑
xyz的原点P处的Pl
ü
cker坐标；
[0011]步骤2.1：假定扭线位于原点P上方的P
′
点，将原点P与P
′
点在全局坐标系O
‑
XYZ的坐标分别记为P(x1,y1,z1)，P
′
(x2,y2,z2)，并以原点P与P
′
点之间的姿态矢量作为扭线运动矢量方向，利用式(1)获得所述姿态矢量对全局空间坐标系O
‑
XYZ的原点O的扭矩
[0012][0013]式(1)中p，q，r分别表示所述姿态矢量对全局坐标系O
‑
XYZ的原点O取的扭矩在X轴、Y轴和Z轴方向上的分量，且p＝y1z2‑
y2z1，q＝x2z1‑
x1z2，r＝x1y2‑
x2y1；
[0014]步骤2.2：在全局空间坐标系O
‑
XYZ中，利用式(2)得到所述扭线的Pl
ü
cker坐标
[0015][0016]步骤3：利用式(3)和式(4)得到扭线的角速度与线速度在全局空间坐标系O
‑
XYZ中的描述，从而式(5)得到扭线驱动系统中扭线的速度旋量矩阵T：
[0017][0018][0019][0020]式(3)和式(4)中，α表示所述扭线驱动系统中扭线的螺旋角，β表示以原点P与P
′
点之间线段PP
′
在射影平面P
‑
xy上的投影与x轴方向的夹角；ω
x
、ω
y
、ω
z
分别表示扭线的合角速度ω
′
在x轴、y轴和z轴上的分量，ν
x
、ν
y
、ν
z
分别表示扭线的合速度ν
′
在x轴、y轴和z轴上的分量；
[0021]式(5)中，ω表示扭线在射影平面P
‑
xy的角速度，其矢量方向由原点P指向P
′
在射影平面的投影点，且标量大小||ω||等同于电机扭转角速度ω
t
；ω
′
、ν
′
分别表示扭线的合角速度、合速度，其矢量方向均与方向一致；ν表示扭线在射影平面P
‑
xy内的速度，其矢量方向与ω一致；
[0022]步骤4：获取扭线驱动系统中扭线的力旋量矩阵W：
[0023]步骤4.1：利用式(6)得到扭线驱动系统中扭线受到的合力矢量
[0024][0025]式(6)中，||f
′
||表示扭线驱动系统中扭线所受合力的标量大小，且||f
′
||＝||f||/cosα，||f||表示扭线射影平面受到的力的标量，并由电机角速度ω
t
与和扭线驱动系统的旋转半径r计算得到；
[0026]步骤4.2：利用式(8)和式(9)得到合力偶矢量分解后的两个分量：
[0027][0028][0029]式(8)和式(9)中，表示与同向的分量，表示与正交的分量，c表示合力偶矢量在方向上的投影，表示射影平面P
‑
xy与扭线驱动系统的中心旋转轴的交点，所指向的射影空间坐标系P
‑
xyz的原点P之间的矢量；
[0030]步骤4.3：利用式(10)得到扭线驱动系统中扭线的力旋量矩阵W：
[0031][0032]式(10)中，表示扭线所受的合力矢量，表示扭线相对于射影空间坐标系P
‑
xyz的原点P的合力偶矢量；
[0033]步骤5：利用式(11)得到扭线驱动系统旋转矩阵R：
[0034]R＝I+sinθ
·
A
s
+(1
‑
cosθ)
·
A
s
·
A
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0035]式(11)中，I为单位矩阵，A
s
为的反对称矩阵，其中，为旋转轴中心轴矢量，且s
x
、s
y
、s
z
分别表示旋转中心轴在x轴、y轴、z轴方向上的分量；θ为电机转角；
[0036]步骤6：根据扭线驱动系统的平移向量利用式(12)得到实现旋量轴线位置变化的矩阵A：
[0037][0038]式(12)中，d
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扭线驱动系统的运动控制方法，其特征在于，是按以下步骤进行：步骤1：构建所述扭线驱动系统的五维射影空间坐标系P5：以所述扭线驱动系统的旋转中心轴的末端为原点O，以平行于旋转中心轴的方向为Z轴，以垂直于Z轴且经过原点O的一条直线为X轴，并以垂直于X轴、Z轴且经过原点O的直线为Y轴，建立全局空间坐标系O
‑
XYZ；以所述扭线驱动系统中扭线上的任意一个位置点处为原点P，以平行于Z轴且经过原点P的直线为z轴，以平行于X轴并经过原点P的直线为x轴，并以垂直于x轴、z轴且经过原点P的直线为y轴，建立射影空间坐标系P
‑
xyz；由所述全局空间坐标系O
‑
XYZ和所述射影空间坐标系P
‑
xyz构成五维射影空间坐标系P5；步骤2：建立所述扭线在射影空间坐标系P
‑
xyz的原点P处的Pl
ü
cker坐标；步骤2.1：假定扭线位于原点P上方的P
′
点，将原点P与P
′
点在全局坐标系O
‑
XYZ的坐标分别记为P(x1,y1,z1)，P
′
(x2,y2,z2)，并以原点P与P
′
点之间的姿态矢量作为扭线运动矢量方向，利用式(1)获得所述姿态矢量对全局空间坐标系O
‑
XYZ的原点O的扭矩XYZ的原点O的扭矩式(1)中p，q，r分别表示所述姿态矢量对全局坐标系O
‑
XYZ的原点O取的扭矩在X轴、Y轴和Z轴方向上的分量，且p＝y1z2‑
y2z1，q＝x2z1‑
x1z2，r＝x1y2‑
x2y1；步骤2.2：在全局空间坐标系O
‑
XYZ中，利用式(2)得到所述扭线的Pl
ü
cker坐标cker坐标步骤3：利用式(3)和式(4)得到扭线的角速度与线速度在全局空间坐标系O
‑
XYZ中的描述，从而式(5)得到扭线驱动系统中扭线的速度旋量矩阵T：述，从而式(5)得到扭线驱动系统中扭线的速度旋量矩阵T：述，从而式(5)得到扭线驱动系统中扭线的速度旋量矩阵T：式(3)和式(4)中，α表示所述扭线驱动系统中扭线的螺旋角，β表示以原点P与P
′
点之间线段PP
′
在射影平面P
‑
xy上的投影与x轴方向的夹角；ω
x
、ω
y
、ω
z
分别表示扭线的合角速度ω
′
在x轴、y轴和z轴上的分量，ν
x
、ν
y
、ν
z
分别表示扭线的合速度ν
′
在x轴、y轴和z轴上的分量；式(5)中，ω表示扭线在射影平面P
‑
xy的角速度，其矢量方向由原点P指向P
′
在射影平面的投影点，且标量大小||ω||等同于电机扭转角速度ω
t
；ω
′
、ν
′
分别表示扭线的合角速度、合速度，其矢量方向均与方向一致；ν表示扭线在射影平面P
‑
xy内的速度，其矢量方向与ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓杰，詹经纬，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：