[發(fā)明專利]繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的末端笛卡爾空間剛度建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811341218.8
• 申請(qǐng)日: 2018-11-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109249428B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟得山;梁斌;王學(xué)謙;蘆維寧;劉天亮;徐文福
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號(hào): B25J19/00
• 分類號(hào): B25J19/00;B25J9/16
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 徐羅艷

本發(fā)明公開(kāi)了一種繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的末端笛卡爾空間剛度建模方法，包括：計(jì)算機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)繩索整體的關(guān)節(jié)等效剛度根據(jù)驅(qū)動(dòng)繩索與機(jī)械臂關(guān)節(jié)的速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到關(guān)節(jié)空間到驅(qū)動(dòng)空間的雅克比矩陣G_q，并根據(jù)虛功原理和變分原理，得到機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)繩索整體的關(guān)節(jié)等效剛度根據(jù)和計(jì)算機(jī)械臂關(guān)節(jié)等效剛度K_q；根據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)變量與末端位姿的速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到關(guān)節(jié)空間到末端笛卡爾空間的雅克比矩陣J_q，并根據(jù)虛功原理和變分原理，得到所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)等效剛度K_q等效到末端笛卡爾空間的剛度K_e。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的剛度分析與控制；且可用于繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的剛度分析、靜力學(xué)分析、力控制等方面。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的末端笛卡爾空間剛度建模方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的離散型關(guān)節(jié)機(jī)械臂由于自身結(jié)構(gòu)特性限制，無(wú)法在非結(jié)構(gòu)化的狹小環(huán)境中應(yīng)用。采用剛性連桿通過(guò)十字軸串聯(lián)的超冗余機(jī)械臂具有很好的運(yùn)動(dòng)靈活性，且剛度較好，但全驅(qū)動(dòng)式超冗余機(jī)械臂由于每個(gè)連桿相連處均配置驅(qū)動(dòng)繩索，導(dǎo)致整體驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)目較多，為了降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量，并保證臂長(zhǎng)和自由度要求，可采用多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的方式，通過(guò)相鄰關(guān)節(jié)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)繩索，將幾個(gè)鄰近關(guān)節(jié)的同一轉(zhuǎn)軸方向的自由度實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這種聯(lián)動(dòng)式柔性機(jī)械臂具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量少、末端精度高、負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

剛度特性是機(jī)械臂的一項(xiàng)非常重要的特性。聯(lián)動(dòng)式柔性機(jī)械臂的剛度建模對(duì)于聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的特性研究和控制具有非常重要的意義。聯(lián)動(dòng)式柔性機(jī)械臂屬于串并混聯(lián)式機(jī)械臂，其中每一臂段通過(guò)三根驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)，屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)；多個(gè)臂段之間屬于串聯(lián)機(jī)構(gòu)。因此，聯(lián)動(dòng)式柔性機(jī)械臂的剛度影響因素較多，與聯(lián)動(dòng)繩索剛度、驅(qū)動(dòng)繩索剛度、驅(qū)動(dòng)繩索張力和機(jī)械臂關(guān)節(jié)角都有關(guān)系。但目前仍未有針對(duì)繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的剛度建模的方案。

以上背景技術(shù)內(nèi)容的公開(kāi)僅用于輔助理解本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)方案，其并不必然屬于本專利申請(qǐng)的現(xiàn)有技術(shù)，在沒(méi)有明確的證據(jù)表明上述內(nèi)容在本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)日前已經(jīng)公開(kāi)的情況下，上述背景技術(shù)不應(yīng)當(dāng)用于評(píng)價(jià)本申請(qǐng)的新穎性和創(chuàng)造性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂，提出其末端笛卡爾空間剛度建模的方法，通過(guò)建立聯(lián)動(dòng)繩索和驅(qū)動(dòng)繩索的關(guān)節(jié)等效剛度模型來(lái)建立末端笛卡爾空間剛度模型，以為聯(lián)動(dòng)式柔性機(jī)械臂的力學(xué)特性分析和控制提供研究基礎(chǔ)。

本發(fā)明為達(dá)上述目的提出以下技術(shù)方案：

一種繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的末端笛卡爾空間剛度建模方法，包括：

計(jì)算機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)繩索整體的關(guān)節(jié)等效剛度

根據(jù)驅(qū)動(dòng)繩索與機(jī)械臂關(guān)節(jié)的速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到關(guān)節(jié)空間到驅(qū)動(dòng)空間的雅克比矩陣G_q，并根據(jù)虛功原理和變分原理，得到機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)繩索整體的關(guān)節(jié)等效剛度

根據(jù)和計(jì)算機(jī)械臂關(guān)節(jié)等效剛度K_q；

根據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)變量與末端位姿的速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到關(guān)節(jié)空間到末端笛卡爾空間的雅克比矩陣J_q，并根據(jù)虛功原理和變分原理，得到所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)等效剛度K_q等效到末端笛卡爾空間的剛度K_e。

本發(fā)明上述技術(shù)方案所提出的建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的剛度分析與控制；且可用于繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的剛度分析、靜力學(xué)分析、力控制等方面，對(duì)于繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂的研究具有重大的意義。

附圖說(shuō)明

圖1是一種示例性的繩驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式機(jī)械臂模型；

圖2是如圖1所示的機(jī)械臂中的一個(gè)臂段的示意圖；