一种仿象鼻连续型机器人运动学求解方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人运动学建模方法，更具体地说，它涉及一种仿象鼻连续型机器人的运动学建模中的空间转换矩阵的建立。
【背景技术】
[0002]仿象鼻连续型机器人由单段或多段弹性体联接构成，依靠弹性体连续弯曲变形产生运动，类似于象鼻、章鱼触角和哺乳类动物的舌头等生物器官。该类机器人采用性能类似于肌肉性静水骨骼的“无脊椎”柔性结构，利用弹性变形使柔性本体弯曲成光滑连续曲线而产生运动。与采用离散的单自由度旋转关节或直线关节、刚性连杆构成的传统工业机器人不同，仿象鼻连续型机器人能柔顺弯曲而灵活改变自身形状，实现环境中多障碍物的避让和形状各异的物体的柔顺抓取，能够实现如核电站冷却管道维修，地震现场人员搜救等空间狭窄和多障碍物环境下的作业，而传统的工业机器人均难以完成这些任务。
[0003]Sohail Iqbal，Samer Mohammed 和 Yacine Amirat 于 2009 年在 Internat1nalConference on Robotics and B1mimetic 发表的论文 “A Guaranteed Approach ForKinematic Analysis of Continuum Robot Based Catheter” 中公开了:米用简化的运动学模型，并结合空间几何知识，对仿象鼻连续型机器人的运动学进行研宄，因此，以运动学分析为特质的简化模型结合D-H参数修正的空间转换矩阵的建立来分析、研宄仿象鼻连续型机器人，在理论上是符合仿象鼻连续型机器人的特性的，在实际应用中是能够满足计算需求的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于修正的D-H参数的仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，为仿象鼻连续型机器人的研宄提供了一种新思路。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0006]一种仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，包括以下步骤:
[0007](I)利用离散型关节运动学求解方法，建立连续型关节和离散型关节之间的联系，并简化模型；
[0008](2)利用几何分析与计算方法，对连续型关节的模型进行求解:对于单段的连续型关节，首先是空间角度变换，利用几何分析和解算，得到末端点相对初始端点旋转的位置；其次根据空间转换矩阵，对连续型关节和离散型关节进行比较，并对以基准坐标为标准的转换矩阵参数进行修正。
[0009]作为本发明进一步的方案:所述以基准坐标为标准的转换矩阵参数的修正包括镜像离散型关节角度转换的加和，和末端点当前坐标系坐标的转换。
[0010]作为本发明进一步的方案:所述末端点位移的变化是通过空间几何分析得到的。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]1、针对仿象鼻连续型机器人运动学建模问题，本发明提出一种基于D-H参数的仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，将复杂的运动模式简化，化繁为简，为运动控制和整体的控制应用减小了难度；
[0013]2、本发明提出的修正的D-H参数，在原有成熟的研宄基础上，能够为连续型关节的研宄带来新的思路，也更方便初学者学习。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例的示意图；
[0015]图2是2自由度连续型关节的结构示意图；
[0016]图3是单段连续型关节的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]本发明是在传统机器人运动学建模的思想基础上，修改使之与仿象鼻连续型机器人的运动特性相匹配，从而更化繁为简的对仿象鼻连续型机器人进行分析。仿象鼻连续型机器人并不是单纯由η个连续型关节构成，准确地说应该是由混合关节构成，也就是仿象鼻连续型机器人由两个刚性旋转关节、两个连续型关节构成，其中一个刚性旋转关节将电机结构与连续型关节串联起来，另一个刚性旋转关节将两个连续型关节串联起来，两个刚性旋转关节的旋转方向是成垂直方向的，这是为了保证混合关节的机械臂能够达到最大的运动空间。
[0019]请参阅图1，本发明实施例中，一种仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，本发明是基于对单段连续型关节分析，建模，求解得到的。运动学建模的目的有两个:一是详细深入的研宄混合关节的运动原理和控制机理所需要的模型；二是完成末端点P在基准坐标系位移转变的计算。本发明中完成运动学建模的关键是D-H参数的修正，关节A是连续型关节，单独分析它的运动特征可知，它有两个自由度，角度转换在理论上可以达到三维空间的任意点，结合刚性关节的运动特性可知，一个连续型关节可以简化为两个串联的镜像的刚性关节。建立模型的坐标系如图1，关节A首先绕Zl轴旋转，然后绕Yl轴旋转，由空间几何可以得到末端点P在当前坐标系的坐标，带入镜像刚性关节连乘后的转换矩阵，从而得到该连续型关节A的转换矩阵，整个计算过程是将关节A简化为两个镜像的刚性关节，以弹性体为弧的弦长为两刚性关节之间的连杆长度，根据刚性关节的D-H参数定义得到需要的瞬间的参数，并由空间几何的到末端点P在当前坐标系的坐标带入连乘后的转换矩阵。
[0020]请参阅图2，本发明实施例是基于连续型关节的一种混合关节的机械臂，即仿象鼻机械臂。仿象鼻机械臂由刚性关节Α、连续型关节B、刚性关节C、连续型关节D构成。运动学建模的目的有两个:一个是详细深入的研宄混合关节的运动原理和控制机理所需要的模型；一个是完成末端点P在基准坐标系位移转变的计算。本发明中完成运动学建模关键是D-H参数的修正，关节B和关节D都是连续型关节，单独分析它们的运动可知，它们各自都有两个自由度，角度转换在理论上可以达到三维空间的任意点，结合刚性关节的运动特性可知，一个连续型关节可以简化为两个串联的镜像的刚性关节。这样整个模型就可以简化为六个刚性关节串联而成。建立模型的坐标系如图，关节A绕Zl轴旋转，转换矩阵就是传统刚性关节转换矩阵，得到连杆末端点P的位置；关节B首先绕Z2轴旋转，然后绕Y2轴旋转，由空间几何可以得到末端点P在当前坐标系的坐标，带入镜像刚性关节连乘后的转换矩阵，从而得到该连续型关节B的转换矩阵；关节C和关节A是一样的，根据转换角度和连杆长度等变量得到的D-H参数就可以得到转换矩阵；关节D和关节B —样，简化为两个镜像的刚性关节，以弹性体为弧的弦长作为两刚性关节之间的连杆长度，根据刚性关节的D-H参数定义得到需要的瞬间的参数，并由空间几何的到末端点P在当前坐标系的坐标带入连乘后的转换矩阵；最后将计算得到的关节A、关节B、关节C、关节D的转换矩阵进行连乘得到最终整个机械臂的转换矩阵。
[0021]请参阅图3，本发明实施例中，连续型关节的驱动是采用的外置的三线驱动方式，三根钢丝绳均匀分布在上下基座的圆盘上，中间是连续型关节的“脊柱” 一一一段柔性体，通过电机改变钢丝绳的长度从而引发柔性体变形，达到改变关节形态的目的。在运动学分析中，一般情况是将末端点的位置作为研宄目标。通过建立关节的运动学空间转换矩阵，从而得到末端点的姿态，达到控制末端点执行器完成特定的任务。
[0022]与现有连续型机器人运动求解技术相比，本发明具有以下优点:将复杂的运动模式简化，化繁为简，为运动控制和整体的控制应用减小了难度；提出的修正的D-H参数，在原有成熟的研宄基础上，能够为连续型关节的研宄带来新的思路，也更方便初学者学习。
[0023]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0024]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)利用离散型关节运动学求解方法，建立连续型关节和离散型关节之间的联系，并简化模型； (2)利用几何分析与计算方法，对连续型关节的模型进行求解:对于单段的连续型关节，首先是空间角度变换，利用几何分析和解算，得到末端点相对初始端点旋转的位置；其次根据空间转换矩阵，对连续型关节和离散型关节进行比较，并对以基准坐标为标准的转换矩阵参数进行修正。
2.根据权利要求1所述的仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，其特征在于，所述以基准坐标为标准的转换矩阵参数的修正包括镜像离散型关节角度转换的加和，和末端点当前坐标系坐标的转换。
3.根据权利要求1所述的仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，其特征在于，所述末端点位移的变化是通过空间几何分析得到的。
【专利摘要】本发明公开了一种仿象鼻连续型机器人运动学求解方法，包括：(1)利用离散型关节运动学求解方法，建立连续型关节和离散型关节之间的联系，并简化模型；(2)利用几何分析与计算方法，对连续型关节的模型进行求解：对于单段的连续型关节，首先是空间角度变换，利用几何分析和解算，得到末端点相对初始端点旋转的位置；其次根据空间转换矩阵，对连续型关节和离散型关节进行比较，并对以基准坐标为标准的转换矩阵参数进行修正。本发明基于D-H参数的修正，将复杂的运动模式简化，为运动控制和整体的控制应用减小了难度，同时能够为连续型关节的研究带来新的思路，也更方便初学者学习。
【IPC分类】G05B17-02
【公开号】CN104808513
【申请号】CN201510191623
【发明人】赵江海, 张春霞, 钱文欢, 徐群山, 黄海卫
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院, 常州先进制造技术研究所
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月21日