一种绳驱机械臂卷积动态加加速度规划方法及系统、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卷积动态加加速度规划方法及系统、计算机存储介质，将绳驱机械臂的绳索加速度和速度用二次连续卷积的方法进行规划；通过机器人逆运动学的方法将绳驱机械臂任务空间的期望末端位移转换为关节空间的关节角度变化；通过机器人正运动学的方法将绳驱机械臂关节空间的关节角度变化转换为绳索空间的绳索位移变化和速度变化；根据期望绳索位移的大小，划分了四种位移情况：超长位移、长位移、中位移和短位移；根据绳驱机械臂期望绳索位移的大小选择位移情况；动态设定加加速度的大小；采用二次连续卷积的方法规划出期望的绳索加速度和速度；卷积规划的运动过程包括：加速运动、匀减速运动，匀速运动、匀变加速度的加速运动和减速运动。加速度的加速运动和减速运动。加速度的加速运动和减速运动。

【技术实现步骤摘要】
一种绳驱机械臂卷积动态加加速度规划方法及系统、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卷积动态加加速度规划方法及系统、计算机存储介质。

技术介绍

[0002]近年来，绳驱机械臂迅速发展。绳驱机械臂逐渐进入管道检测、医疗检查和手术、太空探索、卫星抓捕和设备维修等领域。绳驱机械臂是一种将多个关节串联起来，利用绳索控制关节转动的机器人。它具有较多的自由度，臂杆细长，可以在空间内灵活的运动。运动形式多样，更能适应障碍物多、地形复杂和狭小的环境。然而，绳驱机械臂的高自由度和绳索驱动特性导致了绳驱机械臂运动的正逆运动学计算复杂，且运动规划十分困难。大多数学者采用迭代雅可比矩阵的方法来控制绳索的位移量，通过期望绳索长度和当前绳索长度的差来控制绳索运动速度和加速度的大小。但是该方法会导致绳索速度不连续，影响整个绳驱机械臂的运动稳定性。也有学者提出了一种两级运动规划的方法，该方法可以消除迭代雅可比矩阵导致的速度不连续问题，提高绳驱机械臂的跟踪性能和运动平滑性，极大提高了绳驱机械臂重复定位精度。该方法通过多项式的方法规划时间、速度和加速度的关系，过程繁琐，任务完成时间较长。针对绳驱机械臂运动规划的算法较少，并不能满足绳驱机械臂高自由度和高灵活性的需求。为了解决绳驱机械臂运动规划困难的问题，该技术有必要进行改进。

技术实现思路

[0003]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的卷积动态加加速度规划方法及系统、计算机存储介质，用于实现绳驱机械臂的运动规划。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法，包括以下步骤：
[0005]根据绳索的期望位移，将绳驱机械臂的绳索加速度和速度用二次连续卷积的方法进行规划；
[0006]绳索的期望位移由机器人正逆运动学计算得到；通过机器人逆运动学的方法，将绳驱机械臂任务空间的期望末端位移转换为关节空间的关节角度变量；通过机器人正运动学的方法，将绳驱机械臂关节空间的关节角度变量转换为绳索空间的绳索位移；
[0007]基于期望绳索位移的大小和运动状态的不同，将所述期望绳索位移划分为超长位移、长位移、中位移、短位移；超长位移具有第一加速运动区域D
I
、第二减速运动区域D
II
和两个中间运动区域；长位移具有第一加速运动区域D
I
、第二减速运动区域D
II
和一个中间运动区域；中位移仅有第一加速运动区域D
I
和第二减速运动区域D
II
；短位移仅有D
Ia
区域和D
IIa
区域；由速度
‑
时间曲线的面积表示位移，斜率表示加速度；第一加速运动区域D
I
包括：变加速
度加速运动、匀加速运动和变加速度减速运动；第二减速运动区域D
II
包括：加速度增大的减速运动、匀减速运动和加速度减小的减速运动；加速度减小的减速运动、匀减速运动和加速度增大的减速运动；中间运动区域包括：匀速运动；D
Ia
加速区域包括：变加速度加速运动、匀加速运动；D
IIa
减速区域包括：加速度增大的减速运动、匀减速运动。
[0008]根据绳驱机械臂期望绳索位移的大小选择位移情况；动态设定绳索加加速度的大小；采用二次连续卷积的方法规划出期望的绳索加速度和速度；二次连续卷积规划的运动过程包括：匀加速运动、匀减速运动，匀速运动、变加速度的加速运动和减速运动；
[0009]二次连续卷积包括：第一次卷积运算和第二卷积运算；第一次卷积运算通过所给定的期望绳索位移和时间，自由设定加速度的大小，规划出仅有匀速度运动、匀加速和匀减速运动的速度和加速度曲线；该曲线为梯形速度曲线；第二次卷积运算是在第一次卷积运算的基础上，自由设定加加速度的大小，规划出具有匀加速运动、匀减速运动，匀速运动、变加速度的加速运动和减速运动的速度和加速度曲线；该曲线为S形速度曲线。
[0010]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划系统，包括：
[0011]输入单元，用于输入绳驱机械臂任务空间的期望末端位移和时间；
[0012]位移转换单元，用于将绳驱机械臂任务空间的期望末端位移转换为关节空间的关节角度变化，再将关节空间的关节角度变化转换为绳驱机械臂绳索空间的期望绳索位移；
[0013]位移情况划分单元，用于划分绳驱机械臂期望绳索位移可能出现的四种情况；
[0014]位移选择单元，用于判断并选择所述绳驱机械臂的期望绳索位移所属于的位移情况；
[0015]卷积动态加加速度规划单元，根据选择的位移情况，将期望绳索位移规划成加加速度可调整的速度和加速度曲线，用于绳驱机械臂进行运动；
[0016]输出单元，用于输出规划完成的速度和加速度曲线到绳驱机械臂。
[0017]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：
[0018]输入绳驱机械臂任务空间的期望末端位移和时间；
[0019]将绳驱机械臂任务空间的期望末端位移转换为关节空间的关节角度变化，再将关节空间的关节角度变化转换为绳驱机械臂绳索空间的期望绳索位移；
[0020]划分绳驱机械臂期望绳索位移可能出现的四种情况；
[0021]判断并选择所述绳驱机械臂的期望绳索位移所属于的位移情况；
[0022]根据选择的位移情况，将期望绳索位移规划完成加加速度可调整的速度和加速度曲线，输出给绳驱机械臂。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]本专利技术是一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法及系统、计算机存储介质，通过动态设置加加速度使加速平稳，减少加速冲击，确保绳驱机械臂的稳定运动，提高了绳驱机械臂的定位精度。解决了绳驱机械臂速度在间歇性控制过程中的不连续性和冲击问题。同时利用卷积的计算方法，简化了计算，提高了运行效率。
附图说明
[0025]图1是本专利技术中一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法的运动学模型；
[0026]图2是本专利技术中一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法原理图；
[0027]图3是本专利技术中一种绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法的超长位移、长位移、中位移、短位移四种位移情况示意图。
具体实施方式
[0028]为了使本领域的技术人员能够更好的理解本专利技术的技术方案，下面将结合实施例来对本专利技术的具体技术方案进行清楚、完整地描述，以助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术。显然，本案所描述的实施例仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思及相互不冲突的前提下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本专利技术中的实施例，在本领域普通技术人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绳驱机械臂卷积动态加加速度规划方法，其特征在于，包括以下步骤：根据绳索的期望位移，将绳驱机械臂的绳索加速度和速度用二次连续卷积的方法进行规划；绳索的期望位移由机器人正逆运动学计算得到；通过机器人逆运动学的方法，将绳驱机械臂任务空间的期望末端位移转换为关节空间的关节角度变量；通过机器人正运动学的方法，将绳驱机械臂关节空间的关节角度变量转换为绳索空间的绳索位移；基于期望绳索位移的大小和运动状态的不同，将所述期望绳索位移划分为超长位移、长位移、中位移、短位移；超长位移具有第一加速运动区域D
I
、第二减速运动区域D
II
和两个中间运动区域；长位移具有第一加速运动区域D
I
、第二减速运动区域D
II
和一个中间运动区域；中位移仅有第一加速运动区域D
I
和第二减速运动区域D
II
；短位移仅有D
Ia
区域和D
IIa
区域；运动区域由速度
‑
时间曲线的面积表示位移，斜率表示加速度；根据绳驱机械臂期望绳索位移的大小选择位移情况；动态设定绳索加加速度的大小；采用二次连续卷积的方法规划出期望的绳索加速度和速度；二次连续卷积规划的运动过程包括：匀加速运动、匀减速运动，匀速运动、变加速度的加速运动和减速运动；二次连续卷积包括：第一次卷积运算和第二卷积运算；第一次卷积运算通过所给定的期望绳索位移和时间，自由设定加速度的大小，规划出仅有匀速度运动、匀加速和匀减速运动的速度和加速度曲线；该曲线为梯形速度曲线；第二次卷积运算是在第一次卷积运算的基础上，自由设定加加速度的大小，规划出具有匀加速运动、匀减速运动，匀速运动、变加速度的加速运动和减速运动的速度和加速度曲线；该曲线为S形速度曲线。2.根据权利要求1所述的绳驱机械臂的卷积动态加加速度规划方法，其特征在于，超长位移、长位移、中位移、短位移四种位移情况中的运动区域由速度
‑
时间曲线的面积表示位移，斜率表示加速度；第一加速运动区域D
I
包括：变加速度加速运动、匀加速运动和变加速度减速运动；第二减速运动区域D
II
包括：加速度增大的减速运动、匀减速运动和加速度减小的减速运动；加速度减小...

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