[发明专利]变刚度软体蛇形臂的变形预测方法

说明书

本发明公开了一种变刚度软体蛇形臂的变形预测方法，变刚度软体蛇形臂包括若干节刚柔单元，刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板，超弹性多杆机构包括布置在同一圆周上的多根超弹性杆，驱动超弹性多杆机构伸长或缩短使变刚度软体蛇形臂出现弯曲变形，方法包括以下步骤：建立变刚度软体蛇形臂的几何简化模型；选取施力端的刚柔单元，在其两端分别建立坐标系；求解各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式；选取与步骤三中刚柔单元相连的刚柔单元，重复步骤二和步骤三即可求得选取的刚柔单元中各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式；重复上述步骤，即可依次求解其它各节刚柔单元。

技术领域

本发明涉及一种机械臂形状的预测方法，尤其涉及一种变刚度软体蛇形臂的变形预测方法。

背景技术

传统的刚性杆件的机械臂灵活度有限、安全性和适应性较差，变刚度的连续体机械臂是一种强耦合的、强非线性的时变结构，相较于刚性机械臂来说具有高效、低耗、灵活方便及具有更大的工作空间等优点。

连续体机械臂都是通过结构形变来实现其功能，因此，国内外的众多研究都是不断探索新型材料以激发形变、尝试新型结构以实现形变、建立计算模型以描述形变、以及集成驱动传感以控制形变。形变作为变刚度连续体机械臂运动控制中最重要的因素，受到国内外研究人员的广泛关注。同时，对变刚度连续体机械臂形变的研究涉及之后的运动学、动力学建模，涉及计算驱动力的大小，以及末端的位姿形态的确定，但是目前并没有一种适应的方法对其变形姿态进行预测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够预测变刚度软体蛇形臂变形的方法。

本发明提供的这种变刚度软体蛇形臂的变形预测方法，变刚度软体蛇形臂包括若干节刚柔单元，刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板，超弹性多杆机构包括布置在同一圆周上的多根超弹性杆，驱动超弹性多杆机构伸长或缩短使变刚度软体蛇形臂出现弯曲变形，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立变刚度软体蛇形臂的几何简化模型；

步骤二、选取施力端的刚柔单元，在其两端分别建立坐标系；

步骤三、求解各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式；

步骤四、选取与步骤三中刚柔单元相连的刚柔单元，重复步骤二和步骤三即可求得选取的刚柔单元中各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式；重复上述步骤，即可依次求解其它各节刚柔单元与超弹性多杆机构伸缩长度之间的表达式。

在所述步骤二中，建立坐标系时，以刚性端板的几何中心为原点，以其所在平面为X-Y平面，Z轴的方向为自施力端指向末端，得施力端坐标系o-xyz和末端坐标系o′-x′y′z′。

在所述步骤三中，

首先将o-xyz沿刚柔单元弯曲方向旋转θ，得坐标系o₁-x₁y₁z₁；

其次将各超弹性杆向y₁投影；

然后将变形后的超弹性杆向平面oy₁o′投影；

联立超弹性杆在y₁上投影长度表达式和变形后的超弹性杆在平面oy₁o’上投影长度表达式即可得出各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式。

在所述步骤四中，选取与步骤三中刚柔单元相连的刚柔单元，重复步骤二和步骤三即可求得选取的刚柔单元中各超弹性杆伸缩长度与刚柔单元弯曲变形之间的表达式；重复上述步骤，即可依次求解其它各节刚柔单元与超弹性多杆机构伸缩长度之间的表达式。