[发明专利]软体机械臂的力学模型的建立方法及控制方法

说明书

本发明公开了一种软体机械臂的力学模型的建立方法及控制方法，包括以下步骤：在每个软体驱动器的底端建立三维坐标系，第一个软体驱动器底端的坐标系为固定底端坐标系；从M个软体驱动器中任取一个作为第q个软体驱动器，从第q个软体驱动器的底端依次确定第i个特征点在第q个软体驱动器底端的坐标系中的弯曲方向、弯曲角度以及位置坐标，建立第q个软体驱动器的力学模型，以相同方式分别建立M个软体驱动器的力学模型；将M个软体驱动器上特征点的位置坐标均转换到固定底端坐标系中；根据M个软体驱动器的力学模型、特征点在所在的软体驱动器底端的坐标系中的位置坐标以及特征点在固定底端坐标系中的位置坐标，建立软体机械臂的力学模型。

技术领域

本发明涉及软体机械臂技术领域，特别地，涉及一种软体机械臂的力学模型的建立方法，此外，还涉及软体机械臂空间运动姿态的开环控制方法和闭环控制方法。

背景技术

软体机械臂的研究主要受到自然界中的软体动物(如章鱼、象鼻等)的运动模式启发，通过软性材料搭配气动控制系统，实现超冗余和无限自由度的柔顺运动。软体机械臂因其柔性结构特性，使其在复杂未知环境探测、人机友好交互等方面，都具有刚性机械臂难以匹敌的优势。现有的软体机械臂通过控制气囊腔的充气和放气以实现软体机械臂的运动，但由于其结构的柔性，导致控制精度很难保证，并且负载能力差，无法负载质量大的物体。对于一种气控型刚柔耦合模块化的软体机械臂，通过将多个波纹管状的气囊体沿周向等距排布构成软体驱动器，软体驱动器上设有用于沿径向拉结多个气囊体的固定结构，多个固定结构沿气囊模块轴向间隔排布，用于提高机械臂的负载能力并使软体驱动器的所有气囊体相互做耦合运动，再通过连接结构将多个软体驱动器沿轴向首尾密封连接，气囊体充气后膨胀延长，气囊体放气后收缩缩短，通过向气囊体内充气和/或放气以控制气囊体中压力值，从而控制软体驱动器的空间运动姿态，目前可采用开环控制方法对软体机械臂的空间运动姿态进行控制，通过向各个气囊体中对应输入准确的压力值，以使软体机械臂形成指定的运动姿态，还可采用闭环控制方法对软体机械臂的空间运动姿态进行控制，通过向各个气囊体中输入初始的压力值后使软体机械臂形成运动姿态，再通过将运动姿态与指定运动姿态进行比较后对输入气囊体中的压力值进行调整，直至软体机械臂形成指定运动姿态，但由于目前无法对运动姿态进行准确计算，导致软体机械臂空间运动姿态的开环控制和闭环控制均难以实现。

发明内容

本发明提供了一种软体机械臂的力学模型的建立方法及控制方法，以解决气控型刚柔耦合模块化的软体机械臂的空间运动姿态无法精确控制的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种软体机械臂的力学模型的建立方法，用于获取软体机械臂上空间位置和空间姿态以对软体机械臂的运动进行控制，软体机械臂包括M个软体驱动器，软体驱动器通过连接结构沿轴向首尾密封连接，软体驱动器包括沿周向等距排布的多个波纹管状的气囊体，每个气囊体包括多个波纹小节，波纹小节的分布中心为特征点，M个软体驱动器从软体机械臂的固定端向自由端端方向依次排列为第一个软体驱动器，第二个软体驱动器，……，第M个软体驱动器；M个软体驱动器上波纹小节的个数依次为N₁，N₂，……，N_M；M个软体驱动器1上特征点的个数依次为N₁，N₂，……，N_M，软体驱动器上靠近软体机械臂固定端的一端为底端，在每个软体驱动器的底端建立B-xyz三维坐标系，位于软体机械臂固定端处的第一个软体驱动器的坐标系为固定底端坐标系；从M个软体驱动器中任取一个作为第q个软体驱动器，从第q个软体驱动器的底端依次确定第i(1≤i≤N_q)个特征点在第q个软体驱动器底端的坐标系中的弯曲方向、弯曲角度以及位置坐标，建立第q个软体驱动器的力学模型，以相同方式分别建立M个软体驱动器的力学模型；将M个软体驱动器上特征点的位置坐标均转换到固定底端坐标系中；根据M个软体驱动器的力学模型、特征点在所在的软体驱动器底端的坐标系中的位置坐标以及特征点在固定底端坐标系中的位置坐标，确定输入气囊体的压力值与软体机械臂上各个特征点的空间位置和姿态之间的关系，建立软体机械臂的力学模型。