[发明专利]绳驱柔性机械臂的闭环运动控制方法及系统

说明书

本发明涉及绳驱柔性机械臂的闭环运动控制方法和系统。其中方法包括：获取绳驱柔性机械臂当前时刻的期望目标构型；根据绳驱柔性机械臂运动学模型计算得到要形成的期望目标构型的期望绳长；根据电机编码器数据，计算当前的电机演算绳长；通过臂杆组件中的关节编码器数据，获取等效绳长；将电机演算绳长与期望绳长的差值进行绳长闭环控制的输入量，将输出的绳长控制量进一步转换为电机的旋转角度值，以作为电机位置闭环输入量；通过电机位置闭环控制的方式，根据电机位置闭环输入量，输出驱动电机的PWM波，以驱动电机带动绳索运动。其中的系统包括运动控制器以实施上述控制方法。本发明能够显著提升绳驱柔性机械臂的运动控制精度。

技术领域

本发明属于机器人或机械臂自动化控制领域，具体涉及一种绳驱柔性机械臂的闭环运动控制方法及系统。

背景技术

相对于传统机器人，绳驱柔性机械臂有着臂杆直径小、弯曲效果好、高自由度等优点。在复杂、多障碍的工作情况中，绳驱柔性机械臂还有着极强的动作灵活性，因此被广泛应用于核电、航天、搜救等狭小环境中的精细作业。这类作业任务通常要求机械臂具备良好的运动精度以满足抓取、焊接、探测等等功能。然而实际中，有以下因素制约着绳驱柔性机械臂的运动精度：

(1)驱动绳索与臂杆绳孔之间的间隙，以及驱动绳索弯曲曲率导致柔性臂的运动学模型误差；

(2)绳索经过绳孔产生较大摩擦力以及绳索自身驱动臂杆需要较大拉力，使得绳索出现弹性形变；

为提高绳驱柔性臂的运动精度，需要测量并补偿柔性机械臂在运动过程中绳索由于以上因素产生的绳长误差。然而在机械臂的实际工作情况中，实时测量实际绳索长度十分困难。

发明内容

本发明提供一种绳驱柔性机械臂的闭环运动控制方法及系统，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，例如提高机械臂的运动精度。

本发明的技术方案一方面涉及一种绳驱柔性机械臂的闭环运动控制方法。该方案所基于的硬件平台的机械臂包括驱动箱和串联的多段的臂杆组件，每个臂杆组件包括中心块和臂杆，每个臂杆组件中的臂杆与中心块之间通过轴承转动地连接，所述的中心块与所述的臂杆之间的相对转角通过编码器测量；每个臂杆组件中的臂杆通过各自的驱动绳索连接至所述的驱动箱并且由所述的驱动箱中的各组的电机和传动机构带动；所述的传动机构包括滚珠丝杆和由所述滚珠丝杆配合的螺母带动的牵绳机构，在每一组的电机和传动机构中所述电机的输出轴联接至所述的滚珠丝杆的输入端。在本发明的方案中，所述方法包括以下步骤：

S110、获取所述的绳驱柔性机械臂当前时刻的期望目标构型q_d；

S120、根据所述的绳驱柔性机械臂运动学模型计算得到要形成的期望目标构型q_d的期望绳长L_d；

S130、根据电机编码器数据，计算当前的电机演算绳长L_m；

S140、通过所述的臂杆组件中的关节编码器数据，获取等效绳长L_real；

S150、将所述的电机演算绳长L_m与所述的期望绳长L_d的差值进行绳长闭环控制的输入量，将输出的绳长控制量进一步转换为电机的旋转角度值，以作为电机位置闭环输入量；

S160、通过电机位置闭环控制的方式，根据所述的电机位置闭环输入量，输出驱动电机的PWM波，以驱动电机带动绳索运动。

进一步，在所述步骤S110中：所述的机械臂的构型包括分割为多个自由度的关节角度，以串联形成机械臂末端的轨迹构型q_tar；所述的关节角度为相邻的中心块与臂杆之间的绕轴承轴线的各个相对转角。

进一步，所述步骤S130包括：