[发明专利]一种家蚕吐丝轨迹和速度的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术和人工智能领域，其实质是利用该领域的相关技术应用于家蚕吐丝行为解析研究中，进一步来模拟和控制家蚕吐丝轨迹和速度，以便获得蚕丝素材组。

背景技术

家蚕吐丝速度对于不同家蚕个体是不同的，并且随着环境条件和家蚕的吐丝阶段而改变。同样，家蚕吐丝轨迹也被认为对蚕丝理化性能有直接影响。考虑到家蚕吐丝行为（例如，轨迹和速度等）与蚕丝理化性能之间的关联性，以实现蚕丝理化性能的提升或特意化为目标，再加上各种化学或物理上的处理方法，可以开发各种新的功能性材料，拓宽蚕丝的新用途。然而以往的成果仅仅只着眼于家蚕吐丝行为或其他研究，并未考虑如何在已知家蚕吐丝行为研究基础上去模拟和仿真家蚕吐丝行为系统，最终让家蚕按照人工设计的轨迹和速度吐丝。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种控制家蚕可以按照人工设计的轨迹和速度吐丝的方法，其是将人工智能理论和机器人技术相结合，在家蚕吐丝行为数据解析的基础上，设计和发明一种方法来控制家蚕吐丝轨迹和速度，使得蚕丝按照人工设计的轨迹和速度吐丝，便于得到不同组合的家蚕吐丝轨迹和速度的蚕丝素材组，从而方便研究者对蚕丝理化性能进行研究。

本发明技术解决方案如下：

本发明是在解析出家蚕的吐丝行为和位姿等特性的基础上，设计和发明一种机械手臂控制系统来控制家蚕吐丝轨迹和速度，其系统结构包括：机械手臂、机械手臂驱动控制器、家蚕吐丝平台。其中机械手臂能够与家蚕灵活固定，驱动方式可以采取电机传动等形式，家蚕吐丝平台为二维平面或三维立体平台。

一种家蚕吐丝轨迹和速度的控制方法，其实现方法在空间坐标系下，给定家蚕的初始位置、运动轨迹和速度，计算出家蚕吐丝轨迹路径的控制设定点，从而对电机进行伺服控制，实现对机械手臂末端点处的空间轨迹点的有效控制和规划。从而实现对家蚕吐丝行为（轨迹和速度等）的控制，并使得家蚕按照人工设计的轨迹和速度吐丝。

所述控制方法实现的具体步骤如下：

（1）搭建全局直角坐标系，无论是家蚕吐丝轨迹的初始位置还是家蚕运动轨迹中各个路径的控制设定点均相对该全局直角坐标系而言；同时，还建立关节空间坐标系，该坐标系作用于控制机械臂的操作；

（2）根据给定的家蚕吐丝轨迹，利用matlab将吐丝轨迹抽样成离散点，该离散点即是家蚕在全局直角坐标系中吐丝的运动控制设定点；

（3）假定机械臂的关节驱动器是在关节空间坐标系中给定的，得到的机械臂末端控制设定点是在全局坐标系中约束的，因此还需要把运动学逆问题反解求出（该方法是已知的，是机械臂运动轨迹规划熟知方法），也就是把直角坐标系中的控制设定点映射到所建立的关节空间中，即求出机械臂末端控制家蚕吐丝过程中的各关节变量，从而才能够更好对机械臂进行操作；

步骤2和步骤3的解释：由于对机械臂进行控制首先要得出关节空间坐标系中的一些离散的控制点，因此为了得到与给定曲线轨迹十分接近的离散点，需采用某种函数逼近的方法把在全局直角坐标系中的轨迹离散化，离散化的轨迹控制点是相对曲线轨迹所在的全局直角坐标系而得出的，对机械臂的操作是在机械臂关节空间坐标系，所以需要用逆运动学计算把直角坐标系中的离散化的轨迹控制点映射到满足关节路径约束的参数化路径控制点。

（4）把步骤（3）得到的一系列关节空间中的控制设定点转换为电机的给定值，对电机进行伺服控制，也就是对机械臂进行控制操作，从而实现控制家蚕运动轨迹和速度。

使用发明方法来控制家蚕吐丝轨迹和速度，可以使蚕丝按照人工设计的轨迹和速度吐丝，便于得到不同组合的家蚕吐丝轨迹和速度的蚕丝素材组，从而方便研究者对蚕丝理化性能进行研究。

附图说明

图1是采用多关节机械手臂控制家蚕吐丝轨迹和速度的结构示意图；

图2是采用直角坐标系机械手臂控制家蚕吐丝轨迹和速度的结构示意图；

图1中：1，2，3—多关节机械手臂的活动关节点，实际关节点数不局限于3，数量可>=1，4—机械手臂与家蚕固定终端，5—家蚕吐丝平台，6—控制系统的全局坐标系。

图2中：1，2，3—分别对应直角坐标系机械手臂的X，Y，Z旋转轴，且可以分别在对应的X，Y，Z方向平行移动。4—机械手臂与家蚕固定终端，5—家蚕吐丝平台，6—控制系统的全局坐标系。

具体实施方式

本发明采用的系统结构包括：机械手臂、机械手臂驱动控制、家蚕吐丝平台。其中机械手臂能够与家蚕灵活固定，驱动方式可以采取电机传动等形式，家蚕吐丝平台为二维平面或三维立体平台。