[发明专利]一种连续型机器人姿态控制系统

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别是涉及一种连续型机器人姿态控制系统。

背景技术

传统的离散型机器人均采用刚性关节和连杆结构，用于实现在自由空间内的多自由度运动，但由于其自由度数目有限，因此对工作空间受限的环境适应性不强。与离散型机器人不同，连续型机器人为“无脊椎”的柔性结构，该机器人采用形状可以灵活改变的结构，而不具有任何刚性的关节和连杆。这种新型的仿生机器人具有良好的弯曲性能，可以柔顺而灵活地改变自身的形状，因此具有能根据环境障碍物的状况而改变自身形状的能力，对工作空间受限的环境具有独特的适应能力。另外，其应用前景广阔，可以应用于飞机油箱检查、多障碍物工业环境内的作业、弯曲管道和塌陷建筑物内的侦查和搜救、核电站内部管路的维护、人体疾病的诊疗等场合。

对连续型机器人的空间运动进行控制时，首先需要对机器人到达目标区域的行进路径进行规划，然后实现对给定的路径进行跟随。连续型机器人采用线驱动的方式，可以通过电机控制驱动线线长变化，从而使机器人到达预定位置。然而，控制过程中因传动误差、驱动线的张紧程度不同及控制模型不准确带来的误差等因素的影响，导致机器人位置控制误差较大，为了实现连续型机器人对所规划路径的跟随，前提是能控制机器人准确到达设定的目标位置。但目前尚缺少能够对连续型机器人的位置进行高精度控制的姿态控制系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种连续型机器人姿态控制系统。

为了达到上述目的，本发明提供的连续型机器人姿态控制系统包括核心控制器、蛇臂控制模块、伸缩机构控制模块、蛇臂姿态采集模块、驱动线拉力采集模块、微处理器、姿态传感器和压力传感器；其中核心控制器上带有液晶显示器、鼠标和键盘，与蛇臂姿态采集模块、驱动线拉力采集模块和微处理器相连接；蛇臂控制模块连接在微处理器和连续型机器人上的蛇臂电机之间，用于控制驱动连续型机器人运动的蛇臂电机的速度和位置，从而改变驱动线长度，进而改变蛇臂姿态；伸缩机构控制模块连接在微处理器和连续型机器人上的直线模组电机之间，用于控制直线模组电机的速度和位置，进而驱动连续型机器人沿直线模组进行一维运动；蛇臂姿态采集模块与安装在蛇臂每段关节末端处的姿态传感器相连接，用于将姿态传感器检测的姿态角数据通过串口传输至核心控制器，以形成姿态反馈的闭环控制；驱动线拉力采集模块与安装在蛇臂每个关节段末端圆盘上的压力传感器相连接，用于采集连续型机器人上每根驱动线的拉力值，并通过串口传输至核心控制器，以形成拉力反馈的闭环控制。

所述的蛇臂姿态采集模块采用九轴惯性导航模块JY-901，其内部集成磁力计、陀螺仪和加速度计。

所述的压力传感器采用薄膜压力传感器。

本发明提供的连续型机器人姿态控制系统具有如下有益效果：

(1)结构简便，易于搭建

系统采用的姿态传感器和薄膜压力传感器体积小，重量轻，模块集成化程度高，对机器人蛇臂部分形变的影响小。

(2)位置控制精度高、可靠性好

系统既包含机器人蛇臂的姿态反馈，还包括驱动线力的反馈，具有位置控制精度高，可靠性好的特点。

附图说明

图1为连续型机器人单关节段运动学模型。

图2为本发明提供的连续型机器人姿态控制系统构成框图。

图3为蛇臂单关节段姿态和驱动力反馈控制图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的连续型机器人运动控制系统进行详细说明。

1.1运动学分析

1.1.1单关节段运动学模型

对于线驱动连续型机器人，通过对蛇臂单关节模型的分析，如图1所示，可以得到单关节基座坐标系至末端坐标系的齐次变换矩阵，如下式：

式中，s为正弦函数sin的缩写，c为余弦函数cos的缩写，θ∈(0,π]表示关节段的弯曲角度，表示关节段的旋转角度，L为机器人单关节段长度。如此，通过齐次变化矩阵，建立了关节变量(弯曲角度和旋转角度)与关节末端点位置之间的映射关系。

1.1.2多关节段运动学模型

将蛇臂机构描述为多个连续型单关节的串联，假设j#关节坐标系相对于(j-1)#关节坐标系的齐次变换矩阵为那么，关节末端坐标系{N}相对于系统坐标系的齐次变换矩阵可以表示为公式：其中，