[发明专利]变刚度软体蛇形臂的运动学建模方法

说明书

本发明公开了一种变刚度软体蛇形臂的运动学建模方法，该方法先选取已知变刚度软体蛇形臂的三维模型；输入每节刚柔单元中心轴线的长度以及每节刚柔单元的弯曲角度和弯曲方向，建立各节刚柔单元的基座盘坐标系和末端盘坐标系，求出末端盘坐标系相对基座盘坐标系的变换矩阵；最后确立变刚度软体蛇形臂末端达到预期位置和姿态时的目标位姿矩阵，即可根据基座盘坐标系、变换矩阵和目标位姿矩阵求解每节刚柔单元的弯曲方向和弯曲角度。本发明通过已知的弯曲角度和弯曲方向求解末端坐标系相对于基座坐标系的变换矩阵，再通过已知初始矩阵和目标位姿矩阵即可求解刚柔单元的弯曲方向和弯曲角度，方法简单，易于理解，实用价值高。

技术领域

本发明涉及一种机械臂运动学的建模方法，尤其涉及一种变刚度蛇形机械臂的运动学建模方法。

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，变刚度的蛇形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。

蛇形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。形变作为变刚度蛇形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，对变刚度蛇形机械臂形变的研究的同时便涉及到软体机械臂运动学、动力学建模。在传统的刚性机械臂运动学分析中，通常采用Denavit.Hartenberg法(D—H法)，以关节变量作为变量求解机械臂末端执行器的位置和姿态。由连杆和关节构成的传统刚性机械臂运动学建模通常都是通过D.H法建立的，其原理是每个连杆上设一个坐标系，然后建立齐次变换矩阵，从而确立两个连杆之间空间上的关系，对矩阵多次变换可以求出末端执行器相对于基坐标系的位置，最后可以求得刚性机械臂运动学方程。软体机械臂建立物理模型需要机、电、液、化学等多门学科综合分析研究，因为制造软体机械臂的材料为柔性材料，所以形变大小跟移动距离等都是非线性的，从而分析比较困难；由于软体机械臂可以高曲率弯曲或大变形扭曲，具有无限自由度，从而难以建立模型。

Bryan A.Jones等人提出了一种类似于刚性机械臂运动学建模(D—H法)的方法，软体机械臂关节模块可以简化为一个由两个轴线交叉的回转关节、一个柱状关节和另外两个轴线交叉的回转关节组成的虚拟刚性杆状机械臂，称为修正的D—H法。但此方法过于繁琐，且计算量大，尤其是对于多节刚柔单元串联而成的蛇形机械臂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种简单便捷、计算量小的变刚度蛇形机械臂的运动学建模方法。

本发明提供的这种变刚度软体蛇形臂的运动学建模方法，包括以下步骤：

步骤一、选取已知变刚度软体蛇形臂的三维模型，该三维模型包括若干节刚柔单元，刚柔单元一端为基座盘、另一端为末端盘；

步骤二、建立各节刚柔单元的基座盘坐标系和末端盘坐标系；

步骤三、输入每节刚柔单元中心轴线的长度以及每节刚柔单元的弯曲角度和弯曲方向，求出末端盘坐标系相对基座盘坐标系的变换矩阵；

步骤四、确立变刚度软体蛇形臂末端达到预期位置和姿态时的目标位姿矩阵，即可根据基座盘坐标系、变换矩阵和目标位姿矩阵求解每节刚柔单元的弯曲方向和弯曲角度。

在一个具体实施方式中，在所述步骤一中，所述基座盘和所述末端盘均为圆盘，在所述基座盘和所述末端盘之间设有两对长度可调的导向杆，每对导向杆的连接点位于同一直径上。

进一步的，在所述步骤二中，先调节导向杆的长度，来获取预期的弯曲方向和弯曲角度θ，