[发明专利]绳驱动联动式机械臂的末端笛卡尔空间刚度建模方法

说明书

本发明公开了一种绳驱动联动式机械臂的末端笛卡尔空间刚度建模方法，包括：计算机械臂联动绳索整体的关节等效刚度根据驱动绳索与机械臂关节的速度级运动学关系，计算得到关节空间到驱动空间的雅克比矩阵G_q，并根据虚功原理和变分原理，得到机械臂驱动绳索整体的关节等效刚度根据和计算机械臂关节等效刚度K_q；根据机械臂关节变量与末端位姿的速度级运动学关系，计算得到关节空间到末端笛卡尔空间的雅克比矩阵J_q，并根据虚功原理和变分原理，得到所述机械臂关节等效刚度K_q等效到末端笛卡尔空间的刚度K_e。本发明能实现绳驱动联动式机械臂的刚度分析与控制；且可用于绳驱动联动式机械臂的刚度分析、静力学分析、力控制等方面。

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体涉及绳驱动联动式机械臂的末端笛卡尔空间刚度建模方法。

背景技术

传统的离散型关节机械臂由于自身结构特性限制，无法在非结构化的狭小环境中应用。采用刚性连杆通过十字轴串联的超冗余机械臂具有很好的运动灵活性，且刚度较好，但全驱动式超冗余机械臂由于每个连杆相连处均配置驱动绳索，导致整体驱动电机数目较多，为了降低驱动电机数量，并保证臂长和自由度要求，可采用多关节联动的方式，通过相邻关节内部联动绳索，将几个邻近关节的同一转轴方向的自由度实现同步转动，这种联动式柔性机械臂具有驱动电机数量少、末端精度高、负载能力强的特点。

刚度特性是机械臂的一项非常重要的特性。联动式柔性机械臂的刚度建模对于联动式机械臂的特性研究和控制具有非常重要的意义。联动式柔性机械臂属于串并混联式机械臂，其中每一臂段通过三根驱动绳索驱动，属于并联机构；多个臂段之间属于串联机构。因此，联动式柔性机械臂的刚度影响因素较多，与联动绳索刚度、驱动绳索刚度、驱动绳索张力和机械臂关节角都有关系。但目前仍未有针对绳驱动联动式机械臂的刚度建模的方案。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于针对绳驱动联动式机械臂，提出其末端笛卡尔空间刚度建模的方法，通过建立联动绳索和驱动绳索的关节等效刚度模型来建立末端笛卡尔空间刚度模型，以为联动式柔性机械臂的力学特性分析和控制提供研究基础。

本发明为达上述目的提出以下技术方案：

一种绳驱动联动式机械臂的末端笛卡尔空间刚度建模方法，包括：

计算机械臂联动绳索整体的关节等效刚度

根据驱动绳索与机械臂关节的速度级运动学关系，计算得到关节空间到驱动空间的雅克比矩阵G_q，并根据虚功原理和变分原理，得到机械臂驱动绳索整体的关节等效刚度

根据和计算机械臂关节等效刚度K_q；

根据机械臂关节变量与末端位姿的速度级运动学关系，计算得到关节空间到末端笛卡尔空间的雅克比矩阵J_q，并根据虚功原理和变分原理，得到所述机械臂关节等效刚度K_q等效到末端笛卡尔空间的刚度K_e。

本发明上述技术方案所提出的建模方法，能够实现绳驱动联动式机械臂的刚度分析与控制；且可用于绳驱动联动式机械臂的刚度分析、静力学分析、力控制等方面，对于绳驱动联动式机械臂的研究具有重大的意义。

附图说明

图1是一种示例性的绳驱动联动式机械臂模型；

图2是如图1所示的机械臂中的一个臂段的示意图；