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专利号: 2021109379009
申请人: 常州大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤(1)、建立连续体机器人运动学模型,连续体机器人运动学模型如下:

一个由n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}在基坐标系{0}中的位置和姿态 为:其中:Rn为n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}相对于基坐标系{0}的旋转变换矩阵;pn为n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}原点相对于基坐标系{0}的平移变换, 为连续体机器人的第i个弯曲单元的末端坐标系{i}相对于初始坐标系{i‑1}的变换矩阵;

步骤(2)、根据步骤(1)建立的连续体机器人运动学模型,构建连续体机器人的末端位置误差模型;

连续体机器人末端位置误差模型为:

T

其中:Δpn=[dpx dpy dpz] 为连续体机器人末端位置误差,上标T为转置,px为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中x轴上的分量,py为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中y轴上的分量,pz为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中z轴上的分量;J=[Jdθ Jdα Jdl]为连续体机器人参数误差对应的雅克比矩阵,Jdθ为连续体机器人弯曲转角误差dθ对应的雅克比向量,Jdα为连续体机器人弯曲方向角误差dα对应的雅克比向量,Jdl为连续体机器T人驱动绳长误差dl对应的雅克比向量;Δx=[Δθ Δα Δl] 为连续体机器人参数误差矩阵,Δθ为连续体机器人弯曲转角偏差,Δα为连续体机器人弯曲方向角偏差,Δl为连续体机器人驱动绳长偏差;

步骤(3)、将单位标定球体放置在连续体机器人操作空间中,使连续体机器人在弯曲变形过程中其末端触头能够接触到单位标定球体;

步骤(4)、控制连续体机器人接触球面并记录绳长变化量;

控制连续体机器人对放置在操作空间中的单位标定球体表面进行示教,并随机采集和记录接触球面时各驱动绳的长度,并通过理论运动学记录此时连续体机器人末端的理论位姿;

步骤(5)、建立基于单位球面的连续体机器人参数误差辨识模型;

将步骤(4)测量得到的连续体机器人末端的理论位姿带入到基于单位球面的连续体机器人参数误差辨识模型中,并通过最小二乘法对连续体机器人几何参数进行优化辨识和补偿;

根据步骤(2)建立的连续体机器人的末端位置误差模型,并在单位标定球面约束条件下建立连续体机器人参数误差辨识模型为:其中

T

其中:D为连续体机器人末端接触点到单位标定球体中心的向量;向量[a b c]为单位T标定球体球心在机器人基坐标系的位置向量;向量[px py pz]为连续体机器人接触球体时末端理论位置向量,Jx为连续体机器人参数误差对应的雅克比矩阵的第一行向量,Jy为连续体机器人参数误差对应的雅克比矩阵的第二行向量,Jz为连续体机器人参数误差对应的雅克比矩阵的第三行向量,a为单位标定球体球心在机器人基坐标系的位置向量在x轴上分量,b为单位标定球体球心在机器人基坐标系的位置向量在y轴上分量,c为单位标定球体球心在机器人基坐标系的位置向量在z轴上分量;

步骤(6)、效果验证,利用步骤(5)得到的Δx对连续体机器人的参数进行优化,并重新对单位标定球体示教若干点,对比连续体机器人理论末端点是否在一个球体表面上,若否,则继续重复步骤(2)‑(5)。

2.根据权利要求1所述的一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于,步骤(1)具体如下:在常曲率圆弧假设条件下基于几何分析法建立连续体机器人运动学模型,则连续体机器人的第i个弯曲单元的末端坐标系{i}相对于初始坐标系{i‑1}的变换矩阵 为:其中:i为弯曲单元的序号,1≤i≤n,n为弯曲单元的总数,l为单节弯曲单元骨架长度,θi为第i节弯曲单元的弯曲角度,αi为第i节弯曲单元的弯曲方向角,s表示正弦函数sin,c表示余弦函数cos,z为当前坐标系的z轴,y为当前坐标系的y轴,为沿当前坐标系的x轴、y轴、z轴的平移变换,Rot(z,αi)为绕当前坐标系的z轴旋转αi角,Rot(y,θi)为绕当前坐标系的y轴旋转θi角,Rot(z,‑αi)为绕当前坐标系的z轴旋转‑αi角;当前坐标系是指初始坐标系{i‑1};

通过调节三根驱动绳的长度实现连续体机器人在三维空间中的变形运动;

则第i节弯曲单元对应的驱动绳长的变化量分别为:

Δli,1=rθicαi

其中,Δli,1为第i节弯曲单元第1根驱动绳长的变化量;Δli,2为第i节弯曲单元第2根驱动绳长的变化量;Δli,3为第i节弯曲单元第3根驱动绳长的变化量,r为驱动绳孔到中心轴线的半径;

则一个由n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}在基坐标系{0}中的位置和姿态 为:其中:Rn为n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}相对于基坐标系{0}的旋转变换矩阵;pn为n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}原点相对于基坐标系{0}的平移变换。

3.根据权利要求2所述的一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于,步骤(2)具体如下:根据步骤(1)建立的连续体机器人运动学模型,并借助于微分变换原理,则连续体机器人的弯曲单元的末端坐标系与初始坐标系间的齐次变换矩阵为:其中: 为包含参数误差的{i}与{i‑1}间的实际齐次变换矩

阵; 为{i}与{i‑1}间齐次变换误差;Δθi为第i节弯曲单元的弯曲角度偏差;Δαi为第i节弯曲单元的弯曲方向角偏差;Δl为单节弯曲单元骨架长度偏差;

则n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}相对于基坐标系{0}的实际变换矩阵 为:其中, 为n节弯曲单元组成的连续体机器人的末端坐标系{n}相对于基坐标系{0}间的齐次变化误差;

将上式(1)开展并忽略方程右侧的高阶项后,化简得连续体机器人末端位置误差模型为:T

其中:Δpn=[dpx dpy dpz] 为连续体机器人末端位置误差,上标T为转置,px为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中x轴上的分量,py为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中y轴上的分量,pz为连续体机器人末端位置在基坐标系{0}中z轴上的分量;J=[Jdθ Jdα Jdl]为连续体机器人参数误差对应的雅克比矩阵,Jdθ为连续体机器人弯曲转角误差dθ对应的雅克比向量,Jdα为连续体机器人弯曲方向角误差dα对应的雅克比向量,Jdl为连续体机器T人驱动绳长误差dl对应的雅克比向量;Δx=[Δθ Δα Δl] 为连续体机器人参数误差矩阵,Δθ为连续体机器人弯曲转角偏差,Δα为连续体机器人弯曲方向角偏差,Δl为连续体机器人驱动绳长偏差。

4.根据权利要求1所述的一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于:所使用的单位标定球体的钢球等级应不小于G1000。

5.根据权利要求1所述的一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于:所述步骤(4)中,在控制连续体机器人对单位标定球体示教接触时,要保证连续体机器人末端连接盘法线与接触球体表面垂直。

6.根据权利要求1所述的一种用于连续体机器人的参数优化方法,其特征在于:所述步骤(4)中,应将所用的单位标定球体放置在连续体机器人基坐标z轴轴向上,且单位球体坐标系与连续体机器人基坐标系轴线相互平行。