一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质，用于控制绳驱机械臂的刚度，有利于绳驱机械臂完成各种复杂的如太空探测、维修、空间对接和卫星抓捕等任务。其中方法如下：首先，建立绳驱机械臂的解析刚度模型，用于计算绳驱机械臂的刚度，并分析了影响绳驱机械臂刚度的因素；其次，选取绳驱机械臂的末端点和任意中间关节的交点作为被控制点，在被控制点附近自由设定对应的控制点；进一步地，基于选择的控制点和被控制点，结合梯度投影法优化绳驱机械臂的整体构型，以获得具有工作要求所需刚度的对应构型。如果刚度依然不能满足作业需求，只需调整绳索张力进一步优化刚度，即可平稳、灵活的控制绳驱机械臂的刚度，从而使绳驱机械臂完成各种刚度需求任务。务。务。

【技术实现步骤摘要】
一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质


[0001]本专利技术涉及机器人控制领域，尤其是一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质。

技术介绍

[0002]与传统刚性机械臂相比，绳驱机械臂的结构更加轻便，运动更加灵活。绳驱机械臂的电气控制部分与机械臂部分通常采用分离设计，既能减轻机械臂的重量和尺寸，又更能灵活的适应各种恶劣的环境。
[0003]由于绳驱机械臂的自由度超冗余的特点，进行绳驱机械臂刚度建模十分困难。绳驱机械臂的变刚度控制一直是绳驱机械臂研究的重点和难点。Nan等人提出了一种带有中间支撑的2自由度机械手，建立了单关节刚度模型，并且通过实验验证了该刚度模型与实验测试的偏差；在Liu等人的文章中，一种可提高刚度和负载能力的绳驱机械臂被提出，该机械臂由三个连接段组成；Pang等人设计一种基于张力放大机构的7自由度的绳索驱动机械臂，解决了机械臂在运行时的绳索松弛问题，并建立了腕关节和肘关节的刚度模型。很多学者只对绳驱机械臂的单个关节进行了刚度建模，不过Yan等人通过解析法和数值法分别建立了整个绳驱机械臂的刚度模型。该刚度模型避免了伪逆运算引起的计算误差。它与传统刚度模型相比极大的提高了计算精度。
[0004]由于绳驱机械臂的关节数多，转动灵活，所以绳驱机械臂刚度控制十分困难。绳驱机械臂的刚度通常由绳索张力和机械臂的构型决定。Xu等人提出了一种改进的模态法来求解绳驱机械臂的逆运动学，该方法通过在求逆解过程中优化局部关节的角度，规划三维构型，来实现轨迹规划和避障功能。Mu等人提出了一种同时考虑机器人总体构型和末端姿态的规划方法，通过改变绳驱机械臂的构型来实现避障和避奇点的目的。
[0005]根据以上研究可知，到目前为止，很多文章通过设计开发一种新型的机构来实现机械臂的刚度控制，或者通过改变绳驱机械臂的构型来实现轨迹规划和避障。但是缺少一种新型的可实现绳驱机械臂的变刚度的算法。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的是提供一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质，用于实现驱机械臂变刚度规划控制。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种绳驱机械臂变刚度规划方法，包括以下步骤：
[0008]建立绳驱机械臂的解析刚度模型；
[0009]选取绳驱机械臂的末端点和部分中间关节的交点作为被控制点，在被控制点附近自由设定对应的控制点；
[0010]计算被控制点与控制点之间的欧几里得距离(欧式距离)，通过基于梯度投影法的全局优化使得欧式距离逼近零，从而得到绳驱机械臂在空间的期望构型；
[0011]实时利用刚度模型计算当前构型的刚度并判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为否，通过调节绳索张力进一步优化刚度；
[0012]若调节绳索张力无法使判断结果为是，则重新选取新的控制点重复上述过程，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功。
[0013]进一步地，对于被控制点的选择，充分利用绳驱机械臂自由度的冗余性，将每N个自由度之间的关节节点设定为绳驱机械臂的被控点；
[0014]对于控制点的选择，在经典D
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H(Denavit
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Hartenberg)坐标系的YOZ平面设置一个半径为R的控制圆，控制圆上的任意一点均可以被选择为控制点。
[0015]进一步地，通过梯度投影法优化被控制点与控制点之间的欧几里得距离，使其达到最小值的最优状态；
[0016]判断任意欧式距离是否为零，若判断结果为是，判断绳驱机械臂的构型与控制点设定的期望构型完全一致；
[0017]判断任意欧式距离是否为零，若判断结果为否，判断当前构型为不影响末端位置和姿态的极限构型。
[0018]进一步地，将期望构型和给定初始绳索张力带入刚度模型计算当前构型的刚度并判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功，输出对应构型与绳索张力；
[0019]若判断结果为否，通过调节绳索张力进一步优化刚度，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功；
[0020]若调整绳索张力无法达到判断结果为是，则重新选取新的控制点重复上述过程，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功。
[0021]进一步地，通过调整绳索张力实现所述绳驱机械臂的变刚度规划处理，绳索张力等比例增大时，机械臂刚度增加，绳索张力等比例减小时，机械臂刚度减小；通过调整变刚度规划参数实现所述绳驱机械臂的变刚度规划处理。
[0022]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种绳驱机械臂变刚度规划系统，包括：
[0023]刚度需求检测单元：用于实时检测所述绳驱机械臂刚度，判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为否，则对所述绳驱机械臂进一步实施变刚度规划处理；
[0024]位置检测单元：用于检测绳驱机械臂当前位置，以计算计算控制点和被控制点之间的欧几里得距离；
[0025]位置判断单元：用于判断欧式距离是否大于对应误差允许值，判断控制点和被控制点之间的欧式距离是否为零；
[0026]变刚度规划单元：用于对所述绳驱机械臂进行变刚度规划处理；
[0027]输入单元：用于输入规划完成的关节构型、绳驱机械臂关节角的角速度、绳索张力到绳驱机械臂，实现绳驱机械臂的运动；
[0028]规划结果判断单元：用于判断所述绳驱机械臂经过变刚度规划处理后刚度是否符合作业需求，若判断结果为否，上述变刚度处理过程，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功。
[0029]进一步地，通过调整绳索张力实现所述绳驱机械臂的变刚度规划处理，绳索张力等比例增大时，机械臂刚度增加，绳索张力等比例减小时，机械臂刚度减小；通过调整变刚
度规划参数实现所述绳驱机械臂的变刚度规划处理。
[0030]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0031]建立绳驱机械臂的解析刚度模型；
[0032]选取绳驱机械臂的末端点和部分中间关节的交点作为被控制点，在被控制点附近自由设定对应的控制点；
[0033]计算被控制点与控制点之间的欧几里得距离(欧式距离)，通过基于梯度投影法的全局优化使得欧式距离逼近零，从而得到绳驱机械臂在空间的期望构型；
[0034]实时利用刚度模型计算当前构型的刚度并判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为否，通过调节绳索张力进一步优化刚度；
[0035]若调节绳索张力无法使判断结果为是，则重新选取新的控制点重复上述过程，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功。
[0036]本专利技术的有益效果是：
[0037]本专利技术提供了一种绳驱机械臂变刚度规划方法及系统、计算机存储介质，用于控制绳驱机械臂在各种有刚度需求的环境中作业。本专利技术结合静力学和运动学，建立了绳驱机械本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绳驱机械臂变刚度规划方法，其特征在于，包括以下步骤：建立绳驱机械臂的解析刚度模型；选取绳驱机械臂的末端点和部分中间关节的交点作为被控制点，在被控制点附近自由设定对应的控制点；计算被控制点与控制点之间的欧几里得距离(欧式距离)，通过基于梯度投影法的全局优化使得欧式距离逼近于零，从而得到绳驱机械臂在空间的期望构型；实时利用刚度模型计算当前构型的刚度并判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为否，通过调节绳索张力进一步优化刚度；若调节绳索张力无法使判断结果为是，则重新选取新的控制点重复上述过程，直至判断结果为是，则所述绳驱机械臂变刚度规划成功，从而实现变刚度规划的目的。2.根据权利要求1所述的绳驱机械臂变刚度规划方法，其特征在于：对于被控制点的选择，充分利用绳驱机械臂自由度的冗余性，将每N个自由度之间的关节节点设定为绳驱机械臂的被控点；对于控制点的选择，在经典D
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H(Denavit
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Hartenberg)坐标系的YOZ平面设置一个半径为R的控制圆，控制圆上的任意一点均可以被选择为控制点。3.根据权利要求1所述的绳驱机械臂变刚度规划方法，其特征在于：通过梯度投影法优化被控制点与控制点之间的欧几里得距离，使其达到最小值；判断任意欧式距离是否为零，若判断结果为是，判断绳驱机械臂的构型与控制点设定的期望构型完全一致；判断任意欧式距离是否为零，若判断结果为否，判断当前构型为不影响末端位置和姿态的极限构型。4.根据权利要求1至3任一项所述的绳驱机械臂变刚度规划方法，其特征在于：将期望构型和给定初始绳索张力带入刚度模型计算当前构型的刚度并判断刚度是否满足作业需求，若判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功，输出对应构型与绳索张力；若判断结果为否，通过调节绳索张力进一步优化刚度，直至判断结果为是，判断所述绳驱机械臂变刚度规划成功；若调整绳索张力无法达到判断结果为是，则重新选取...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟宗高，高玉明，张鲁杨，刘力源，吕浩，董瑞春，李子轩，程祥，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：