【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及力学与控制，具体涉及一种水下柔性机械臂静力学建模与控制方法、系统。
技术介绍
1、目前软体驱动器作为柔性执行机构的基础单元，具有响应速度快、形状适应性强的优点，并逐步应用于工业生产线、医学模拟研究、机器人等领域。随着国家在深海探索战略上的不断推进，软体驱动器开始转向水下工作场景，如海底文物回收等。公开号为cn215848227u的专利文献公开了一种仿生软体机械手，可搭载于水下机器人进行作业，为软体机械臂在水下应用提供了一种可能性。公开号为cn112428298a的专利文献公开了一种软体机械臂及其控制系统，能够产生无限自由度的运动，可适用于地质勘探、水下搜救。
2、但上述方案均未能阐述如何在水下对软体机械臂进行精确操控。根据现有技术可知，水下软体机械臂的操控难点在于：首先，软体机械臂为连续体机器人，其模型具有高阶自由度，难以用于动态控制；其次，软体机械臂在水下的姿态受环境压力影响，难以将陆地上的经验控制法(标定柔性臂弯曲角度与驱动压力)直接移植，且经验法获得的模型缺乏明确物理意义，在受外力状态下无法继续适用；此外，虽然通过传感器实时检测软体机械臂末端姿态可预测软体机械臂工作状态，但受制造工艺、纤维限制层绕制方法影响，软体机械臂无法执行纯粹的弯曲运动，往往带有一定扭转，这对基于姿态传感器的反馈控制任务带来了很大挑战，而基于视觉的反馈控制方法往往受水质、光照等因素影响，鲁棒性不高，仅能作为一种辅助决策手段。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
3、在一些实施例中，提供一种水下柔性机械臂静力学建模方法，所述水下柔性机械臂包括软体机械臂，所述软体机械臂内部具有第一流道、第二流道以及走线孔，所述走线孔在软体机械臂的中心，所述第一流道、第二流道分布在所述走线孔两侧，所述第一流道和第二流道为弧形流道，所述走线孔横截面为圆形，所述软体机械臂外部具有增强纤维约束，所述软体机械臂呈圆筒状；
4、在水下环境下，当所述水下柔性机械臂被驱动时，所述第一流道和第二流道分别被充液，所述第一流道和第二流道分别具有第一流道压力p1和第二流道压力p2，第一流道压力p1小于等于第二流道压力p2，所述第一流道和第二流道发生弯曲，所述第一流道为弯曲短侧流道，所述第二流道为弯曲长侧流道；所述软体机械臂靠第一流道的一侧为弯曲短侧，所述软体机械臂靠第二流道的一侧为弯曲长侧；
5、所述所述水下柔性机械臂静力学建模方法包括：
6、同时对水下柔性机械臂的软体机械臂横截面上的径向力平衡、周向力平衡以及沿软体机械臂的轴向力平衡进行建模，生成水下柔性机械臂的静力学模型，所述水下柔性机械臂的静力学模型包括径向力平衡模型、周向力平衡模型、轴向力平衡模型，所述软体机械臂横截面的外周为圆形；
7、所述径向力平衡模型包括弯曲短侧流道径向力平衡模型和弯曲长侧流道径向力平衡模型；
8、所述弯曲短侧流道径向力平衡模型为：
9、
10、p1fh(r11,α1)fh(λ+r11)＝p0fh(λ+d1/2)d1+k1δr11，
11、其中，p0为水下环境压力，d为软体机械臂的外直径，k1与k2分别为软体机械臂横截面上靠圆心侧的等效劲度系数与靠外侧的等效劲度系数，d1表示弯曲短侧流道充液后软体机械臂的走线孔在弯曲短侧的等效直径；
12、r11、r12分别表示弯曲短侧流道充液后弯曲短侧流道内侧、弯曲短侧流道外侧的半径，δr11和δr12表示所述充液后弯曲短侧流道内侧、弯曲短侧流道外侧的半径相对于未充液时的半径变化量；
13、λ为软体机械臂弯曲后中性层的等效弯曲半径，与软体机械臂在弯曲平面内两侧的伸长量相关；
14、αi(i＝1、2)表示充液后第一流道和第二流道的弧长在横截面上所对应圆心角，其中，i＝1表示弯曲短侧流道，i＝2表示弯曲长侧流道；
15、fh(·)表示第一流道、第二流道流道受力面在横截面上对应的弧长函数，fh(r,α)＝rα；
16、fh(·)表示沿软体机械臂轴线的弧长函数，
17、
18、其中，δl1表示软体机械臂的弯曲短侧伸长量，δl2表示软体机械臂的弯曲长侧伸长量；
19、所述弯曲长侧流道径向力平衡模型为：
20、
21、p0fh(λ+d2/2)d2+k1δr21＝p2fh(r21,α2)fh(λ+r21)，
22、上式中，d2弯曲长侧流道充液后软体机械臂的走线孔在弯曲长侧的等效直径。r21、r22分别表示弯曲长侧流道充液后弯曲长侧流道内侧、弯曲长侧流道外侧的半径，δr21和δr22表示所述充液后弯曲长侧流道内侧、弯曲短侧流道外侧的半径相对于未充液时的半径变化量；
23、所述周向力平衡模型为：
24、
25、
26、上式中，k3为软体机械臂在周向的等效劲度系数，和分别表示弯曲短侧流道和弯曲长侧流道充液后流道沿周向的伸长量，计算公式如下：
27、
28、
29、其中，δα1和δα2满足：
30、α2＝2δα2+α，
31、α1＝2δα1+α，
32、其中α为第一流道和第二流道对应的原始圆心角；
33、所述轴向力平衡模型为：
34、
35、
36、上式中，ka为软体机械臂在轴向的等效劲度系数，s1和s2分别表示软体机械臂在弯曲短侧和弯曲长侧沿轴线方向对水下环境压力的有效作用面积，计算公式如下：
37、
38、
39、其中，
40、d1＝d-2δr11
41、d2＝d-2δr21
42、上式中，d为软体机械臂的走线孔的原始直径。
43、在一些实施例中，所述水下柔性机械臂的静力学模型中等效劲度系数为与材料特性、几何形状相关的已知量，水下环境压力、第一流道压力和第二流道压力通过压力传感器采集；
44、求解获得软体机械臂的弯曲长侧伸长量δl2与弯曲短侧伸长量δl1，软体机械臂弯曲角度θ按下式求解获得：
45、
46、在一些实施例中，提供一种水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，所述水下柔性机械臂静力学建模与控制方法包括如上所述的水下柔性机械臂静力学建模方法，还包括：
47、将一条所述软体机械臂由一个构型为“旋转-平移-旋转-平移”的刚体机械臂模型进行等效，每个关节按dh参数方法表示为：
48、
49、上式中，mi(·)表示软体机械臂末端位置和姿态用刚体机械臂模型进行等效替代的约束，i表示软体机械臂的第i个关节，qi表示第i个关节的运动参数，所述运动参数包括角度和位本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水下柔性机械臂静力学建模方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂包括软体机械臂，所述软体机械臂内部具有第一流道、第二流道以及走线孔，所述走线孔在软体机械臂的中心，所述第一流道、第二流道分布在所述走线孔两侧，所述第一流道和第二流道为弧形流道，所述走线孔横截面为圆形，所述软体机械臂外部具有增强纤维约束，所述软体机械臂呈圆筒状；
2.根据权利要求1所述的水下柔性机械臂静力学建模方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂的静力学模型中等效劲度系数为与材料特性、几何形状相关的已知量，水下环境压力、第一流道压力和第二流道压力通过压力传感器采集；
3.一种水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂静力学建模与控制方法包括根据权利要求1或2所述的水下柔性机械臂静力学建模方法，还包括：
4.根据权利要求3所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂静力学建模与控制方法为基于动力学模型的串联软体机械臂末端轨迹控制方法，所述串联软体机械臂包括n条软体机械臂，则n条软体机械臂串联的约束方程为：
5.根据权利
6.根据权利要求5所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，软体机械臂的动力学模型方程可表示为：
7.根据权利要求6所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，所述方法包括：
8.根据权利要求7所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，软体机械臂的关节加速度通过速度进行计算：
9.一种水下柔性机械臂控制系统，其特征在于，所述水下柔性机械臂包括软体机械臂，所述软体机械臂内部具有第一流道、第二流道以及走线孔，所述走线孔在软体机械臂的中心，所述第一流道、第二流道分布在所述走线孔两侧，所述第一流道和第二流道为弧形流道，所述走线孔横截面为圆形，所述软体机械臂外部具有增强纤维约束，所述软体机械臂呈圆筒状；
10.一种水下柔性机械臂控制系统，其特征在于，所述水下柔性机械臂包括软体机械臂，所述软体机械臂内部具有第一流道、第二流道以及走线孔，所述走线孔在软体机械臂的中心，所述第一流道、第二流道分布在所述走线孔两侧，所述第一流道和第二流道为弧形流道，所述走线孔横截面为圆形，所述软体机械臂外部具有增强纤维约束，所述软体机械臂呈圆筒状；
...【技术特征摘要】
1.一种水下柔性机械臂静力学建模方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂包括软体机械臂，所述软体机械臂内部具有第一流道、第二流道以及走线孔，所述走线孔在软体机械臂的中心，所述第一流道、第二流道分布在所述走线孔两侧，所述第一流道和第二流道为弧形流道，所述走线孔横截面为圆形，所述软体机械臂外部具有增强纤维约束，所述软体机械臂呈圆筒状；
2.根据权利要求1所述的水下柔性机械臂静力学建模方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂的静力学模型中等效劲度系数为与材料特性、几何形状相关的已知量，水下环境压力、第一流道压力和第二流道压力通过压力传感器采集；
3.一种水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂静力学建模与控制方法包括根据权利要求1或2所述的水下柔性机械臂静力学建模方法，还包括：
4.根据权利要求3所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，所述水下柔性机械臂静力学建模与控制方法为基于动力学模型的串联软体机械臂末端轨迹控制方法，所述串联软体机械臂包括n条软体机械臂，则n条软体机械臂串联的约束方程为：
5.根据权利要求4所述的水下柔性机械臂静力学建模与控制方法，其特征在于，计算软...
【专利技术属性】
技术研发人员：毋迪，谢江辉，曾保平，龚亚军，贺学明，吴正江，张润林，王泽，王博，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：
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