[发明专利]欠驱动机械臂及其控制方法

权利要求书

1.一种欠驱动机械臂控制方法，其特征在于，用于对欠驱动机械臂进行控制，所述欠驱动机械臂包括六个驱动源、九个关节和九个连杆，九个所述关节分别为第一关节（1）、第二关节（2）、第三关节（3）、第四关节（4）、第五关节（5）、第六关节（6）、第七关节（7）、第八关节（8）、第九关节（9），九个所述连杆分别为第一连杆（10）、第二连杆（11）、第三连杆（12）、第四连杆（13）、第五连杆（14）、第六连杆（15）、第七连杆（16）、第八连杆（17）、第九连杆（18）；六个所述驱动源分别用于驱动所述第一关节（1）、所述第二关节（2）、所述第三关节（3）、所述第四关节（4）、所述第五关节（5）和所述第六关节（6）旋转；

所述第七关节（7）、所述第八关节（8）和所述第九关节（9）均包括输入轮（19）和输出轮（20），且所述输入轮（19）的周面与所述输出轮（20）的端面相抵，所述输入轮（19）用于通过摩擦力带动所述输出轮（20）转动；

所述第七关节（7）的所述输出轮（20）与所述第七连杆（16）连接，并用于带动所述第七连杆（16）摆动，所述第七关节（7）的所述输入轮（19）由所述第四关节（4）的所述驱动源驱动；

所述第八关节（8）的所述输出轮（20）与所述第八连杆（17）连接，并用于带动所述第八连杆（17）摆动，所述第八关节（8）的所述输入轮（19）由所述第五关节（5）的所述驱动源驱动；

所述第九关节（9）的所述输出轮（20）与所述第九连杆（18）连接，并用于带动所述第九连杆（18）转动，所述第九关节（9）的所述输入轮（19）由所述第六关节（6）的所述驱动源驱动；所述欠驱动机械臂控制方法包括：

基于修正DH法和关节间耦合关系控制所述欠驱动机械臂末端的位姿；

基于关节间的摩擦传动关系控制所述欠驱动机械臂末端对外界的作用力；

所述基于修正DH法和关节间耦合关系控制所述欠驱动机械臂末端的位姿的步骤包括：

根据修正DH法计算各相邻的两根连杆之间的变换矩阵；

根据各相邻的两根连杆之间的变换矩阵计算所述欠驱动机械臂末端的位姿矩阵；

根据所述欠驱动机械臂末端的位姿矩阵和各关节之间的耦合关系，计算所述欠驱动机械臂的位置雅可比矩阵；

根据所述位置雅可比矩阵控制所述欠驱动机械臂末端的位姿；

所述基于关节间的摩擦传动关系控制所述欠驱动机械臂末端对外界的作用力的步骤包括：

获取需要所述欠驱动机械臂末端对外界输出的目标作用力向量；所述目标作用力向量包括三个轴向上的目标作用力分量和三个轴向上的目标力矩分量；

根据所述目标作用力向量获取三个轴向上的目标作用力分量；

若至少一个所述目标作用力分量大于对应轴向的最大作用力，则根据所述对应轴向的最大作用力更新所述目标作用力向量；

根据以下模型控制所述欠驱动机械臂末端对外界的作用力：

；

其中，为所述目标作用力向量，为所述位置雅可比矩阵的转置矩阵，分别为第1至第6个驱动源的输出力矩，为第四关节（4）和第七关节（7）之间的耦合系数，为第五关节（5）和第八关节（8）之间的耦合系数，为第六关节（6）和第九关节（9）之间的耦合系数，为 轴沿轴移动至与轴相交或重合所需的移动距离。

2.根据权利要求1所述的欠驱动机械臂控制方法，其特征在于，所述根据修正DH法计算各相邻的两根连杆之间的变换矩阵的步骤包括：

根据以下公式计算各相邻的两根连杆之间的变换矩阵：

；

其中，为第个连杆相对第个连杆的变化矩阵，为cos函数，为sin函数，为轴沿轴移动至与轴相交或重合所需的移动距离，为轴绕轴旋转至与轴同向所需的转动角度，为轴沿轴移动至与轴相交或重合所需的移动距离，为轴绕轴旋转至与轴同向所需的转动角度。

3.根据权利要求2所述的欠驱动机械臂控制方法，其特征在于，所述根据各相邻的两根连杆之间的变换矩阵计算所述欠驱动机械臂末端的位姿矩阵的步骤包括：

根据以下公式计算所述欠驱动机械臂末端的位姿矩阵：

；

其中，为所述欠驱动机械臂末端的位姿矩阵，分别为第二连杆（11）相对第一连杆（10）的变化矩阵至第九连杆（18）相对第八连杆（17）的变化矩阵。