利索能及
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专利号: 2025119054406
申请人: 烟台大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于,具体步骤包括:基于绳驱动机械手的几何结构,应用拉格朗日法构建系统的刚体动力学框架,引入流体动力学仿真技术,计算海水作用在绳驱动机械手各连杆关节上的广义流体力,并将其作为外部载荷集成到刚体动力学框架中,以形成刚‑液耦合建模;

采用Cosserat杆理论描述绳驱动机械手绳索在水下的运动特性,构建柔性绳索模型,并与所述刚‑液耦合建模进行耦合,建立刚‑柔‑液耦合动力学模型;

基于刚‑柔‑液耦合动力学模型,通过随机采样确定若干关节构型,确定绳驱动机械手的最大工作空间,基于最大工作空间定义绳驱动机械手的虚拟工作空间,作为轨迹规划的约束边界;

基于行动任务在虚拟工作空间内设定任务路径点,采用五次样条插值算法,生成若干平滑基础轨迹,通过刚‑柔‑液耦合动力学模型分析绳驱动机械手在不同任务路径点处的受力情况,设置受力筛选条件,以筛选出若干基础期望轨迹,并绘制各基础期望轨迹运行过程中的位置、速度和加速度的时序变化曲线,记为特征曲线;

提取各基础期望轨迹特征曲线的形状特征参数,基于形状特征参数设置优化函数,确定优化函数值最大的基础期望轨迹,作为最优绳驱动机械手运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:所述绳驱动机械手的几何结构指绳驱动机械手各连杆关节的相对位置和形状特征,并建立坐标系以确定各连杆关节的广义坐标;

基于各连杆关节的广义坐标,应用拉格朗日法构建系统的刚体动力学框架,所述刚体动力学框架具体表示为:;

式中,为绳驱动机械手运动过程中的时间变量, 为第u个连杆关节的广义速度, 为第u个连杆关节的广义坐标,为拉格朗日量,具体为各连杆动能之和与各连杆势能之和的差值, 为第u个连杆关节的广义力向量,具体指各连杆受到的机械驱动力、广义流体力和广义绳索张力的矢量和,u为连杆关节的索引;

其中各连杆动能之和具体通过各连杆的质量矩阵结合广义速度进行求解,各连杆势能之和具体为绳驱动机械手各连杆及绳索的重力势能和绳索的弹性势能之和。

3.根据权利要求2所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:计算海水作用在各连杆上的广义流体力具体所依据的逻辑为:基于绳驱动机械手不同位置处的海水流速,通过纳维‑斯托克斯方程对绳驱动机械手不同位置处的分布流体力进行求解,将求解得到的分布流体力映射在各连杆关节广义坐标处,以获取海水作用在各连杆关节上的广义流体力;

通过纳维‑斯托克斯方程对分布流体力进行求解具体所依据的公式为:

式中, 为分布流体力,为海水密度,为海水流速场,为梯度算子,为海水动力粘度,为海水压力场;

将分布流体力等效映射在各连杆关节广义坐标处具体方法为:利用虚功原理,将分布流体力 等效为广义流体力的贡献,计算广义流体力具体所依据的公式为:;

式中, 为第u个连杆关节的广义流体力, 为第u个连杆关节表面上表面微元的分布流体力矩阵, 为第u个连杆关节的几何雅可比矩阵, 表示第u个连杆关节表面的第 个表面微元, 为第u个连杆关节表面上表面微元的索引。

4.根据权利要求3所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:构建柔性绳索模型具体所依据的逻辑为:将绳索离散为多个绳索单元,每个绳索单元状态由位置向量描述,柔性绳索模型具体所依据的公式为:;

式中, 为第s个绳索单元的内力向量, 为外部分布力,具体为包括流体压力与平共处摩擦力的综合力向量,为绳索单元的长度, 为绳索密度,为绳索截面积, 为第s个绳索单元的位置向量,s为绳索单元的索引;

采用有限差分法对柔性绳索模型方程进行数值求解,求解收敛后,基于各绳索单元的位置向量,提取绳驱动机械手运动过程中,不同时刻落入各连杆关节广义坐标范围内绳索单元的内力向量,基于绳索单元的内力向量计算绳索作用于各连杆关节的绳索作用力向量,具体所依据的公式为:;

式中, 为在t时刻时,第u个连杆关节广义坐标范围内,第 个绳索单元的绳索作用力向量, 为在t时刻时,第u个连杆关节广义坐标范围内,第 个绳索单元截面局部坐标相对于广义坐标的旋转矩阵, 为在t时刻时,第u个连杆关节广义坐标范围内,第个绳索单元的内力向量, 为第u个连杆关节广义坐标范围内绳索单元的索引;

根据在t时刻时,第u个连杆关节广义坐标范围内,第 个绳索单元的绳索作用力向量,计算第u个连杆关节处的广义绳索张力,具体所依据的公式为:;

式中, 为在t时刻时,第u个连杆关节广义的广义绳索张力, 为在t时刻时,第u个连杆关节广义坐标范围内,绳索单元的总数量;

建立刚‑柔‑液耦合动力学模型具体表示式为:

式中, 为第u个连杆关节处的机械驱动力。

5.根据权利要求4所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:基于机械手各连杆关节的运动范围约束,建立均匀采样分布,具体为:将绳驱动机械手的连杆关节数量定义为U,第u个连杆关节的角度活动范围为 ,将每个连杆关节的角度活动范围均划分为若干角度活动范围子区间,针对任一连杆关节,在其各角度活动范围子区间内,均随机选取一个活动角度采样点,将各连杆关节的活动角度采样点进行排列组合,以确定多个活动角度组合,计算各活动角度组合下绳驱动机械手的工作空间,基于最大工作空间确定绳驱动机械手的虚拟工作空间;

针对任一绳驱动机械手行动任务,以绳驱动机械手行动任务起始点作为起始任务路径点,行动任务终点作为终止任务路径点,在起始任务路径点和终止任务路径点之间的虚拟工作空间中多次随机选取若干任务路径点,基于起始空间途径点、终止空间途径点及一次随机选取所确定的任务路径点,形成一个路径途经点组合,根据不同轮次中随机选取的任务路径点,以此构建若干路径途经点组合,针对任一路径途经点组合,通过五次样条插值算法生成一条平滑基础轨迹,并通过受力筛选条件对平滑基础轨迹进行筛选,以得到基础期望轨迹。

6.根据权利要求5所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:通过刚‑柔‑液耦合动力学模型分析连杆关节处的受力情况,并以刚‑柔‑液耦合动力学模型作为运动背景场,同时设置模拟分析时间区间,在设置的模拟分析时间区间内演化绳驱动机械手的运动过程,分析并提取在模拟分析时间区间中,不同时刻下绳驱动机械手的位置、速度及加速度数据,设置受力筛选条件具体为:;

式中, 具体为第u个连杆关节的受力标幺值;

针对每一个路径途经点组合,通过五次样条插值算法生成若干基础轨迹具体所依据的公式为:;

式中, 、 、 、 、 和 为待定系数, 为基础轨迹,其中以在模拟分析时间区间中,不同时刻下位置、速度和加速度连续作为待定系数的求解条件,以确定各待定系数,r为模拟分析时间区间内的时间变量。

7.根据权利要求6所述的一种自治水下运载器‑绳驱动机械手轨迹规划方法,其特征在于:基础期望轨迹特征曲线的形状特征参数具体包括位置时序变化曲线的曲线长度、速度和加速度时序变化曲线的曲率值,其中速度和加速度时序变化曲线的曲率值具体通过曲线的均方根曲率进行表征;

基于形状特征参数设置优化函数,具体以位置时序变化曲线的曲线长度、速度和加速度时序变化曲线的曲率值绝对值最小化为优化目标,优化函数具体设置为:;

式中, 为优化函数值, 为基础期望轨迹的速度曲线曲率, 为基础期望轨迹的加速度曲线曲率,为基础期望轨迹位置时序变化曲线的曲线长度, 和 分别为权重系数,其中 且 和 均大于0;

根据优化函数表达式确定每一基础期望轨迹的优化函数值,将优化函数值最大的基础期望轨迹作为最优绳驱动机械手运动轨迹。