一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法与系统，计算机存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法与系统，计算机存储介质。本发明专利技术建立的静力学模型考虑了同轴绳驱机器人的外部负载力、绳与孔间的摩擦力、关节间的摩擦力、绳索的驱动力、同轴绳驱机器人的重力和其整臂构型。该同轴绳驱机器人静力学模型的建模方法包括：建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系；以库伦摩擦模型计算同轴绳驱机器人的绳与孔间的摩擦力与关节间的摩擦力；计算各力产生的力矩；建立各连杆的受力平衡方程与力矩平衡方程。在给定绳索驱动力并通过机器视觉获取同轴绳驱机器人整臂构型的基础上，基于建立的静力学模型可计算出同轴绳驱机器人末端的受力，从而实现在同轴绳驱机器人末端无法安装传感器的情况下仍然可以达到末端力感知的目的。的。的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法与系统，计算机存储介质


[0001]本专利技术涉及机器人控制领域，尤其是一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法与系统，计算机存储介质。

技术介绍

[0002]与常规的6自由度与7自由度的工业机器人不同，同轴绳驱机器人由多个连续关节组成，在狭小的空间运动更加灵活，更适合在密闭的环境中作业。与传统的医疗机器人相比，同轴绳驱机器人机械臂部分一般比较细长，具有体积小、灵活性高、越障碍能力强等特点，在医疗领域受到越来越广泛的应用。Li等人研发了一种新型远程操作柔性机器人，并将其应用在了微创手术；Hu等人研发了一种经肛门内窥镜显微外科手术的柔性缝合机器人。与单段绳驱机器人相比，两端或三段同轴绳驱机器人有更高的灵活性与更大的工作空间。因此，在医疗领域同轴绳驱机器人逐渐兴起。例如，Pierre E.Dupont等人设计了一种同轴绳驱机器人，这种机器人本身易形成一段圆滑的曲线，非常适合医疗微创手术，Zheng Li等人专利技术了一种新颖的带约束的同轴绳驱机器人，该机器人可以控制弯曲部分的曲率。
[0003]实际上，对于微创手术等同轴绳驱机器人的实际应用，不仅要求对于机器人的末端位姿进行精准预测，还需要对机器人的整体姿态、末端力感知进行精准预测，以免对作业环境产生不必要的伤害。因此，不仅必须在数学模型中描述如绳索长度、末端位姿等因素，还应建立外部载荷、驱动力、摩擦、整体姿态等因素之间的关系。与传统机械臂相比，同轴绳驱机器人的臂形控制与力学分析也比较复杂，如何建立同轴绳驱机器人的静力学模型并感知其末端力成为了一个非常有吸引力的问题。
[0004]为了精确地建立同轴绳驱机器人的力学模型，在以往的研究中已经做出了很多努力。例如，Li等人建立了单段的绳驱柔性机器人的静力学模型，并预测了机器人的整体构型。Han Yuan等人建立了考虑绳孔摩擦的单段同轴绳驱机器人静力学模型，Jinwoo Jung等人建立了非线性内部设备摩擦模型。
[0005]上述研究皆是以单段绳驱机器人为例，并没有同轴绳驱机器人相关模型，并且对同时处理外部载荷、绳索的驱动力、摩擦力、整臂构型等因素存在一定的局限性。据我们所知，缺少一种针对同轴绳驱机器人的全面静力学模型。

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基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法与系统，计算机存储介质，用于实现多段同轴绳驱机械臂的末端力感知。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法，包括以下步骤：
[0008]建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系，并给定不同坐标系之间的坐标变换矩阵；
[0009]检测每根绳索的驱动力值，并根据驱动力计算绳索在各个连杆处的拉力；
[0010]计算绳索拉力施加给连杆相对于相邻连杆的力矩、计算作用于连杆的重力相对于相邻连杆产生的力矩；
[0011]根据材料的摩擦系数，给定关节间的摩擦力与连杆相互作用力之间的关系；
[0012]测定各关节相对于上一关节的旋转角度并建立同轴绳驱机器人的静力学平衡方程；
[0013]实时根据给定绳索驱动力和测定的各关节角度，利用静力学平衡方程，计算同轴绳驱机器人的末端受力，以达到末端力感知的目的。
[0014]进一步地，按照经典D
‑
H(Denavit
‑
Hartenberg)坐标系的规则建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系，并根据建系方式建立不同坐标系之间的变换矩阵；
[0015]在D
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H坐标系中，根据绳索拉力与同轴绳驱机器人的重力建立后一关节相对于前一关节的驱动力与驱动力力矩模型、重力与重力力矩模型，并根据欧拉
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伯努利梁理论建立每个关节的旋转角度与力矩之间的关系。
[0016]进一步地，根据绳与孔间的摩擦系数计算绳索驱动力在各个连杆处的拉力；
[0017]根据关节间的摩擦系数计算相邻关节之间的摩擦力矩。
[0018]进一步地，基于递推的牛顿
‑
欧拉迭代法建立同轴绳驱机器人前n
‑
1段连杆的静力学平衡方程(n为连杆总段数)；
[0019]考虑末端受力，建立同轴绳驱机器人第n段连杆的静力学平衡方程；
[0020]基于双目视觉测定同轴绳驱机器人的整臂构型，进而测定各关节相对于上一关节的旋转角度；
[0021]实时根据给定绳索驱动力和测定的各关节角度，利用静力学平衡方程，计算同轴绳驱机器人的末端受力，以达到末端力感知的目的。
[0022]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知系统，包括：
[0023]绳索拉力检测单元：用于检测每根绳索的驱动力；
[0024]臂形检测单元：用于检测同轴绳驱机器人的臂形，进而检测机械臂每个关节的旋转角度；
[0025]输入单元：用于将同轴绳驱机器人参数、摩擦系数与检测到的绳驱驱动力、关节角度等输入末端力感知单元，所述参数包括同轴绳驱机器人尺寸、连杆重量、转动惯量等；
[0026]末端力感知单元：用于根据静力学模型进行末端力的计算；
[0027]输出单元：用于输出末端力计算结果，以达到末端力感知的目的；
[0028]预警单元：用于判定末端力是否大于安全性阈值，若判断结果为是，给出危险预警，以免损伤作业目标。
[0029]进一步地，所述静力学模型为基于递推的牛顿
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欧拉迭代法建立的同轴绳驱机器人前n
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1段连杆的静力学平衡方程(n为连杆总段数)与考虑末端受力建立的同轴绳驱机器人第n段连杆的静力学平衡方程。
[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]建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系，并给定不同坐标系之间的坐标变换矩阵；
等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。同时本专利技术中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。此外对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况，结合现有技术来理解上述术语在本案中的具体含义。
[0047]同轴绳驱机器人是一种强耦合、非线性和欠驱动的系统，由于其在实际医疗应用中运动非常缓慢，在研究中经常可以忽略其动态特性。本实施例以两段同轴绳驱机器人为例讲述同轴绳驱机器人的末端力感知方法，但在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应当属于本专利技术的揭露及保护范围。为了方便起见，实施例中的演示是在平面中进行的，但所提出的方法也可以扩展到三维空间。
[0048]参考图1，图1是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法，其特征在于，包括以下步骤：建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系，并给定不同坐标系之间的坐标变换矩阵；检测每根绳索的驱动力值，并根据驱动力计算绳索在各个连杆处的拉力；计算绳索拉力施加给连杆相对于相邻连杆的力矩、计算作用于连杆的重力相对于相邻连杆产生的力矩；根据材料的摩擦系数，给定关节间的摩擦力与连杆相互作用力之间的关系；测定各关节相对于上一关节的旋转角度并建立同轴绳驱机器人的静力学平衡方程；实时根据给定绳索驱动力和测定的各关节角度，利用静力学平衡方程，计算同轴绳驱机器人的末端受力，以达到末端力感知的目的。2.根据权利要求1所述的一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法，其特征在于：按照经典D
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H(Denavit
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Hartenberg)坐标系的规则建立同轴绳驱机器人的连杆坐标系，并根据建系方式建立不同坐标系之间的变换矩阵；在D
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H坐标系中，根据绳索拉力与同轴绳驱机器人的重力建立后一关节相对于前一关节的驱动力与驱动力力矩模型、重力与重力力矩模型，并根据欧拉
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伯努利梁理论建立每个关节的旋转角度与力矩之间的关系。3.根据权利要求1和2所述的一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法，其特征在于：根据绳与孔间的摩擦系数计算绳索驱动力在各个连杆处的拉力；根据关节间的摩擦系数计算相邻关节之间的摩擦力矩。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于静力学模型的同轴绳驱机器人末端力感知方法，其特征在于：基于递推的牛顿
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欧拉迭代法建立同轴绳驱机器人前n
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1段连杆的静力学平衡方程(n为连杆总段数)；考虑末端受力，建立同轴绳驱机器人第n段连杆的静力学平衡方程；基于双目视觉测定同轴绳驱机器人的整臂...

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