[發明專利]一種多線驅連續體機械臂驅動線耦合關系的統一解耦方法

有效

• 申請號: 201911089628.2
• 申請日: 2019-11-08
• 公開（公告）號: CN110744548B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 杜付鑫;盧佳佳;張濤;王得晨;岳明君
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 武博

本發明提供了一種多線驅連續體機械臂驅動線耦合關系的統一解耦方法，它解決了現有技術中三線驅及三線驅以上連續體機械臂驅動線長度間耦合關系的求解還沒有統一的解決方案的問題；通過分析驅動線長度間耦合關系，給出n線驅連續體機械臂驅動線長度耦合關系求解的統一解決方案。其技術方案為：基于分段常曲率假設，通過建立機械臂關節的幾何模型推出多線驅連續體機械臂驅動線長度與機械臂彎曲方向和彎曲角度間的解析關系；利用代數法分析驅動線間的耦合關系，并引入比較因子，給出n線驅連續體機械臂驅動線長度耦合關系求解的統一解決方案；得出只需非中心對稱的兩根驅動線長度即可唯一確定機械臂彎曲方向和彎曲角度。

技術領域

本發明涉及機械臂控制技術領域，尤其涉及一種多線驅連續體機械臂驅動線耦合關系的統一解耦方法。

背景技術

微創手術、單孔手術和自然孔口手術因其可以減少患者創傷和出血量，縮短住院時間，術后恢復快等優點受到廣泛應用，這類手術通常是在體內相對密閉的空間中來完成夾持、剪切、消融等任務。傳統離散機械臂由于缺乏足夠數量的自由度而無法適用于狹窄擁擠的體內環境，由此推動部分學者們開始研究多冗余自由度、高靈活性和安全性的柔性機械臂。柔性機械臂一般可分為兩種：軟體與連續體。軟體機械臂大多是利用仿生技術，從行為或功能上模仿自然界中的生物，如章魚觸手、大象鼻子、尺蠖等,一般多由硅膠、橡膠等彈性材料制成，其理論上具有無限自由度。連續體機械臂通常是將若個相同或相似單元兩兩串聯，或者是在管狀材質側壁切割出切槽，與軟體機械臂相比，其具有有限個自由度，但承受負載能力、可操縱性優于軟體機械臂。

連續體機械臂驅動方式大多采用線驅動方式，具有結構緊湊，布局靈活，能夠實現狹小空間下的長距離精準運動等優點。根據驅動線數目，連續體機械臂可以分為三線驅連續體機械臂和多線驅連續體機械臂。驅動連續體機械臂實現空間運動僅需要三根驅動線，但冗余的驅動線能夠改善連續體機械臂剛度不足的問題，這使得研究多線驅連續體機械臂驅動線間耦合關系變得很有必要。

發明人發現，傳統針對三線驅或四線驅連續體機械臂的驅動線解耦方法通常是基于所有驅動線長度已知條件下的，這種解耦方法具有不易實現性；除此之外，傳統基于部分驅動線長度的解耦方法所得解具有不唯一性；對于三線驅及三線驅以上連續體機械臂驅動線長度間耦合關系的求解，目前還沒有統一的解決方案。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種多線驅連續體機械臂驅動線耦合關系的統一解耦方法，通過分析驅動線長度間耦合關系，給出n線驅連續體機械臂驅動線長度耦合關系求解的統一解決方案，得到了僅需要知道非中心對稱的兩根驅動線長度即可唯一確定n線驅連續體機械臂彎曲方向和彎曲角度的結論，簡化了驅動線長度間耦合關系間的求解過程。

本發明采用下述技術方案：

一種多線驅連續體機械臂驅動線耦合關系的統一解耦方法，基于分段常曲率假設，通過建立機械臂關節的幾何模型推出多線驅連續體機械臂驅動線長度與機械臂彎曲方向和彎曲角度間的解析關系；

利用代數法分析驅動線間的耦合關系，并引入比較因子，給出n線驅連續體機械臂驅動線長度耦合關系求解的統一解決方案；得出只需非中心對稱的兩根驅動線長度即可唯一確定機械臂彎曲方向和彎曲角度。

進一步的，機械臂彎曲角度Θ表示為：

其中，N表示關節個數，θ表示關節偏轉角度；

上式中，m＝2h²(1+cosω)+d²(sinω)²，

其中，h表示關節無偏轉時兩個單元之間的驅動線長度，d表示驅動線所在圓周直徑，表示驅動線的長度，ω表示兩根驅動線的夾角，C為常數。