一种同轴绳驱机器人的空间双圆弧规划方法及系统、计算机存储介质技术方案

本发明专利技术公开一种同轴绳驱机器人的空间双圆弧规划方法及系统、计算机存储介质。该方法的核心在于输入变量为空间中两个点及其位移方向，输出变量为同轴绳驱机器人的空间双圆弧构型。该方法通过调整同轴绳驱机器人起点和终点的位置及其相应的指向方向，可以调整同轴绳驱机器人机械臂的弯曲程度。通过判断方向向量之间的夹角值，可以预先判断同轴绳驱机器人整臂的空间构型是C型还是S型。通过调整同轴绳驱机器人圆弧自由参数（即同轴绳驱机器人参数u与v）的值，可以调整同轴绳驱机器人重叠部分以及分离部分的长度。当给定点与其相应切矢量共面时，空间双圆弧可以转化为平面双圆弧。该方法可以实现对同轴绳驱机器人空间构型的参数化，便于控制同轴绳驱机器人进行无干涉运动轨迹规划。迹规划。迹规划。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴绳驱机器人的空间双圆弧规划方法及系统、计算机存储介质


[0001]本专利技术涉及机器人控制领域，尤其是一种同轴绳驱机器人规划方法及系统、计算机存储介质。

技术介绍

[0002]在同轴绳驱机器人中机器人本体与驱动组件是分开的。因此机器人本体可以小型化，便于在受限的空间中应用。同轴绳驱机器人在实际医疗应用中运动速度较慢，确定逆运动学的问题可以转换为求解准静态逆运动学的问题。
[0003]首先，对于特定的位置和方向，同轴绳驱机器人要想获得一组在受限的三维空间中合理运动的关节角度是极其复杂和具有挑战的。Hirose等人提出了曲线来模拟在平面上运动的蛇的构型，目的是有效地实现蛇形机器人的运动。杨等人提出了稀疏伪和基于关节极限的雅可比方法来解决主从式蛇形机器人的实时遥操作问题。Liu等人提出了一种基于迭代雅可比矩阵的方法，通过考虑雅可比矩阵的逆矩阵和阻尼最小二乘法来确定可控血管内导管系统的配置。逆运动学的结果是一个迭代解，这种方法也可以避免数值不稳定的问题。高等人提出了一种绳牵引多节机器人的运动学模型，以实现其跟随引导者运动。推拉索控制机器人的验证实验表明了跟随引导运动的准确性。为了改善操作中的运动学性能，张等人提出了一种考虑基于雅可比的逆运动学和基于预测的约束施加的运动学框架来控制手术机械手。在远端位置和每段长度已知的情况下，Neppalli等人提出了一个封闭形式的逆解。但是，每个部分的合理长度也是需要在中优化的值。一般，因为对于多截面连续体，可以通过多种方式到达期望的位置。李等人提出了一种逆运动学求解方法，假设多段连续体机器人各段相等。该方法可以求解期望末端位置的逆运动学，但不能考虑多段连续体机器人的末端方向和构型。Mu提出了一种求解同轴绳驱动机械手逆运动学的双圆弧方法。在该方法中，通常使用的末端位置、末端方向和机械手的配置被视为变量。因此，该方法可以同时控制机械手的末端位置、末端方向和姿态。但是，它只能求解平面内同轴绳驱动机械手的逆运动学。
[0004]现有方法只能部分解决机械手特定构型的逆运动学和构型规划问题。一些学者用几何方法处理平面。这些方法不能直接用于3D情况。而一些学者通过引入数值方法来处理3D情况。对于3D情况，这些方法总是计算量大。
[0005]另外，现有的绳驱机器人规划方法主要针对平面，对于同轴绳驱机器人在三维空间的规划方法研究较少，并不能满足同轴绳驱机器人在三维空间的轨迹规划需求。为解决同轴绳驱机器人在三维有限空间中的规划问题，该技术有必要进行改进。

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同轴绳驱机器人空间双圆弧规划方法及系统、计算机存储介质，用于
实现同轴绳驱机器人的规划处理。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：一种同轴绳驱机器人的规划方法，包括以下步骤：
[0008]将三维空间中的同轴绳驱机器人使用空间双圆弧理论进行运动学建模；
[0009]基于所建运动学模型，将所述同轴绳驱机器人周围运动学空间分为相互之间映射关系的驱动空间(电机角度
‑
绳索长度)、构型空间(关节
‑
角度)、任务空间(末端
‑
位置)；
[0010]实时检测所述同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值；
[0011]判断所述同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值是否大于零，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人的空间构型为“S”型；
[0012]对所述同轴绳驱机器人进行规划处理，计算同轴绳驱机器人整臂曲率圆圆心位置；
[0013]实时检测同轴绳驱机器人整臂的实际弧段长度；
[0014]判断所述同轴绳驱机器人外部绳驱机构上的点到圆心点的距离是否等于初始圆半径，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人方法规划成功。
[0015]进一步地，所述同轴绳驱机器人的内外段绳驱臂段等效为空间相交一点，且在交点处有共同切线的两段空间圆弧，用以保证同轴绳驱机器人的臂段以期望的空间位置到达指定的目标处。
[0016]进一步地，判断所述同轴绳驱机器人的空间坐标系与另一空间坐标系之间的圆弧长度是否为脊线的整数倍，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人在圆弧长度上为非连续变化，在两段圆弧构型对空间双圆弧逆向拟合。
[0017]进一步地，判断所述同轴绳驱机器人的末端不同指向值是否满足整臂在工作时所需的刚度，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人的整臂灵活性很好，以达到整臂的期望工作要求。
[0018]本专利技术所采用的另一技术方案是：一种同轴绳驱机器人的空间双圆弧轨迹规划系统，包括：
[0019]建模单元，用于将三维空间中的同轴绳驱机器人使用空间双圆弧理论进行运动学建模；
[0020]空间划分单元，用于基于所建运动学模型，将所述同轴绳驱机器人周围运动学空间分为相互之间映射关系的驱动空间(电机角度
‑
绳索长度)、构型空间(关节
‑
角度)、任务空间(末端
‑
位置)；
[0021]角度检测单元，用于检测所述同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值；
[0022]构型单元，用于判断所述同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值是否大于零，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人的空间构型为“S”型；
[0023]规划单元，用于对所述同轴绳驱机器人进行规划处理；
[0024]规划结果判断单元，用于判断所述同轴绳驱机器人外部绳驱机构上的点到圆心点的距离是否等于初始圆半径，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人方法规划成功。
[0025]进一步地，所述同轴绳驱机器人的内外段绳驱臂段等效为空间相交一点，且在交点处有共同切线的两段空间圆弧，用以保证同轴绳驱机器人的臂段以期望的空间位置到达指定的目标处。
[0026]进一步地，判断所述同轴绳驱机器人的空间坐标系与另一空间坐标系之间的圆弧
长度是否为脊线的整数倍，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人在圆弧长度上为非连续变化，在两段圆弧构型对空间双圆弧逆向拟合。
[0027]进一步地，判断所述同轴绳驱机器人的末端不同指向值是否满足整臂在工作时所需的刚度，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人的整臂灵活性很好，以达到整臂的期望工作要求。
[0028]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：
[0029]将三维空间中的同轴绳驱机器人使用空间双圆弧理论进行运动学建模；
[0030]基于所建运动学模型，将所述同轴绳驱机器人周围运动学空间分为相互之间映射关系的驱动空间(电机角度
‑
绳索长度)、构型空间(关节
‑
角度)、任务空间(末端
‑
位置)；
[0031]实时检测所述同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值；
[0032]判断所述同轴绳驱机器人方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同轴绳驱机器人的空间双圆弧规划方法，其特征在于，包括以下：对同轴绳驱机器人使用空间双圆弧理论建立运动学模型；基于所建模型，将所述同轴绳驱机器人周围的运动学空间分为3个空间之间的映射关系，三个空间分别分为：驱动空间——构型空间——任务空间；根据方向向量的夹角值，预判断同轴绳驱机器人的整臂的空间构型形状；对所述同轴绳驱机器人进行逆向拟合处理；根据圆心角的确定值，对所述同轴绳驱机器人外部绳驱机构上关键点的空间位置进行处理；对所述同轴绳驱机器人进行弧形规划处理；判断所述同轴绳驱机器人的外部绳驱机构上的点到圆心点的距离是否等于初始圆半径，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人空间双圆弧方法规划成功。2.根据权利要求1所述的同轴绳驱机器人空间双圆弧规划方法，其特征在于：判断所述同轴绳驱机器人初始运动是否满足机构约束，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人可以自主调整在空间中自由可控的相交点，控制所述同轴绳驱机器人绘制空间双圆弧。3.根据权利要求1所述的同轴绳驱机器人的规划方法，其特征在于，所述同轴绳驱机器人的空间相应输入量，表示空间双圆弧约束方程。4.根据权利要求1至3任一项所述的同轴绳驱机器人的规划方法，其特征在于，所述同轴绳驱机器人在开始工作前，可以预先控制其整臂的构型，判断所诉同轴绳驱机器人方向向量之间的夹角值是否大于零，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机器人整臂的空间构型为“S”型。5.根据权利要求1至3任一项所述的同轴绳驱机器人的规划方法，其特征在于，通过调整同轴绳驱机器人重叠部分与分离部分的比例实现所述同轴绳驱机器人的构型调整和臂段比例。6.同轴绳驱机器人的空间双圆弧规划系统，特征在于，包括，建模单元，用于将三维空间中的同轴绳驱机器人使用空间双圆弧理论...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟宗高，吕浩，吕桂坤，郑光明，李子轩，董瑞春，高名旺，程祥，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：