[发明专利]气囊型软体机械臂的开环运动控制方法

说明书

本发明公开了一种气囊型软体机械臂的开环运动控制方法，其基于理论分析建立含待定参数的软体机械臂开环运动学模型，在确定软体机械臂运动坐标系和测量坐标系之间的变换关系后再利用高精度测量系统和标定算法确定待定参数，从而得到参数标定后的运动学模型表达式，运动学模型表达式较为简单，最后通过对目标函数进行优化求解得到气压输入序列，优化求解过程的计算量较小，并按照该气压输入序列向气囊型软体机械臂的各个波纹管状气囊中输入气压以驱动机械臂末端从当前位置运动到目标位置，可以很好地满足开环运动控制的实时性、高效性要求，并且适用于任意输入压力范围，在低压输入和高压输入情况下均适用，并具有较高的控制精度。

技术领域

本发明涉及气囊型软体机械臂控制技术领域，特别地，涉及一种气囊型软体机械臂的开环运动控制方法。

背景技术

软体机器人是指由软体材料构成的连续型机器人，具有连续变形能力，通过变形使机器人主干结构产生平滑的曲线运动。目前，软体机器人的驱动形式多种多样，如形状记忆合金、电活性聚合物、水凝胶、气压驱动等。其中，气压驱动软体机器人发展较早、技术较为成熟，最有可能率先实现应用。现有文献1【刘红卫,张翔,黄奕勇,陈小前.面向在轨服务任务的气囊型软体机械臂运动学建模与分析[J].载人航天,2019,3:347-354】提出了一种气囊型软体机械臂系统，如图1和图2所示，该机械臂由三节相互独立的软体驱动器串联而成，每个软体驱动器又由三个相互独立的波纹管并联组成，相互并列的波纹管之间存在若干刚性约束框，用于提高机械臂的刚度和稳定度。在刚性约束框位置处，三个波纹管的横截面始终在一个平面内。由于该机械臂有9个相互独立的波纹管状气囊，即有9个独立的运动控制输入，因此该机械臂的运动自由度为9，对于每个驱动器而言，具有2个弯曲自由度和1个伸长自由度。因此，如何对气压驱动软体机器人进行精准控制对于其能否实现应用十分重要。

目前，现有文献2【张翔,刘红卫,刘卓群,等.空间智能软体机械臂动力学建模与控制[J].智能科学与技术学报,2019,1(1):52-61.】针对上述文献1中的气囊型软体机械臂开展了动力学建模与控制研究，其从软体机械臂的分段梁假设出发，建立了机械臂动力学模型。该模型可用于软体机械臂开环运动控制，但是该模型数学表达式非常复杂，计算量大，难以满足开环运动控制的实时性、高效性要求。

另外，现有文献3【Zheyuan Gong,Zhexin Xie,Xingbang Yang,et al.Design,Fabrication and Kinematic Modeling of a 3D-motion Soft Robotic Arm[C].Proceedings of the 2016IEEE International Conference on Robotics andBiomimetics,Qingdao,China,December 3-7,2016.】针对一种两节驱动器构成的气囊型软体机械臂建立了机械臂运动的开环控制模型，其假设每个驱动器弯曲变形满足常曲率假设，即利用两个曲率参数来描述一个软体驱动器的空间状态。在气囊输入压力较低的情况下(约60kPa以下)，这种假设是成立的，软体机械臂开环运动控制精度较高，但是在高压情况下，驱动器变形不满足常曲率假设，因而基于这种模型得到的开环运动控制误差较大，在80kPa时开环运动控制误差约达到4cm，并且开环控制误差随着输入压力的增加而迅速增加。

发明内容

本发明提供了一种气囊型软体机械臂的开环运动控制方法，以解决现有的气囊型软体机械臂开环运动控制方法存在的数学表达式非常复杂、计算量大，难以满足开环运动控制的实时性和高效性要求，在高压输入环境下控制误差大的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种气囊型软体机械臂的开环运动控制方法，所述气囊型软体机械臂由n个软体驱动器串联而成，n≥1，每个软体驱动器由m个波纹管状气囊并联而成，m≥3，相邻的波纹管状气囊之间设置有刚性约束框，所述气囊型软体机械臂的开环运动控制方法包括以下步骤：