CN111421529B - 一种绳驱柔性臂的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绳驱柔性臂的控制方法，用于对工作端柔性臂进行远程控制，包括如下步骤：S10设置操作端柔性臂，所述操作端柔性臂的形状与所述工作端柔性臂相同，且所述工作端柔性臂与所述操作端柔性臂的尺寸比例为k；S20获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl；S30计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl′，Δl′＝k·Δl；S40根据绳长变化量计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长‑时间函数；S50根据绳长‑时间函数驱动所述工作端柔性臂运动。本发明能够远程控制绳驱柔性臂进行运动，在一些有害环境中使用时能够提高安全性。

Description

一种绳驱柔性臂的控制方法
技术领域
本发明涉及绳驱机器人领域，尤其是涉及一种绳驱柔性臂的控制方法。
背景技术
目前，由于远程操作可以有效保护操作人员的安全，使操作过程更加便捷，远程操作被广泛运用于有毒环境设备修理、有毒化工废料处理、微创手术等环境中。但是，在机械臂领域，通常仅能对刚性臂进行远程控制，无法对柔性臂进行远程控制。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种绳驱柔性臂的控制方法，能够远程控制绳驱柔性臂进行运动，在一些有害环境中使用时能够提高安全性。
本发明的一个实施例提供了绳驱柔性臂的控制方法，用于对工作端柔性臂进行远程控制，包括如下步骤：
S10设置操作端柔性臂，所述操作端柔性臂的形状与所述工作端柔性臂相同，且所述工作端柔性臂与所述操作端柔性臂的尺寸比例为k；
S20获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl；
S30计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl′，Δl′＝k·Δl；
S40根据绳长变化量计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长-时间函数；
S50根据绳长-时间函数驱动所述工作端柔性臂运动。
本发明实施例的绳驱柔性臂的控制方法至少具有如下有益效果：由于操作端柔性臂与工作端柔性臂形状相同且尺寸成比例，因此，当操作端柔性臂到达某一位姿时，工作端柔性臂也会随之按比例运动。获取操作端柔性臂的绳长变化量后，按比例换算即可得出工作端柔性臂的绳长变化量，然后根据绳长变化量求得绳长与时间之间的函数关系，并按照该函数关系驱动工作端柔性臂运动即可。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl的方法为：设置绳长编码器，通过所述绳长编码器获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，通过所述绳长编码器获取与所述操作端柔性臂的驱动绳连接的滑轮的转动圈数q，所述滑轮的半径为r，Δl＝πrq。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl的方法为：设置角度编码器，通过所述角度编码器获取所述操作端柔性臂的关节角，并通过关节角计算获得所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，对所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量进行三次样条插值法以获得绳长-时间函数。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，在步骤S40与S50之间还包括步骤S41：将所述绳长-时间函数划分为多个区间，求出各个区间内的绳长变化量。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，设置视觉导引系统，通过所述视觉导引系统获取所述工作端柔性臂的位姿。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，所述工作端柔性臂与所述操作端柔性臂之间通过通信模块实现通信。
根据本发明的另一些实施例的绳驱柔性臂的控制方法，设置拉力传感器，使所述拉力传感器与所述工作端柔性臂的驱动绳串联。
附图说明
图1是第一实施例中绳驱柔性臂的控制方法流程图；
图2是第一实施例中绳驱柔性臂的控制装置示意图(省略了部分部件)；
图3是第一实施例中操作端柔性臂的装置示意图；
图4是第一实施例中工作端柔性臂的装置示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
第一实施例
参照图1与图2，分别示出了第一实施例中绳驱柔性臂的控制方法流程图与绳驱柔性臂的控制装置示意图。该装置示意图中仅示出了与一个关节相连的4根驱动绳及滑轮等部件，其他关节与该关节处的设置方式类似，图中将其省略。操作端柔性臂100与工作端柔性臂200之间通过通信模块进行信息传输，具体的，可以是有线网络，或者4G网络，或者5G网络。操作端柔性臂100与工作端柔性臂200的形状相同，且工作端柔性臂与操作端柔性臂的尺寸比例为k。二者间的关系类似于“相似三角形”，若二者的每个关节运动的方向与角度相同，则当操作端柔性臂100运动到达某一位姿时，工作端柔性臂200的关节角会与操作端柔性臂相同。
参照图3，示出了第一实施例中操作端柔性臂的装置示意图。操作端柔性臂100包括多个操作端关节110，每两个相邻的操作端关节110之间通过操作端中心块120相连，相邻的两个操作端关节110可分别相对于二者之间的操作端中心块120朝不同方向转动。以最底部的一个操作端关节110为例，该操作端关节110与四根操作端驱动绳130相连，操作端驱动绳130绕过操作端滑轮140，且在其端部挂有重物以使其绷直。在操作端驱动绳130上还设有绳长编码器150，用于获取绳长变化量。本实施例中，与每个操作端关节110相连的操作端驱动绳130有四根，但不限于此，其数量只需大于关节运动的自由度即可。
参照图4，示出了第一实施例中工作端柔性臂的装置示意图。工作端柔性臂200包括多个工作端关节210，每两个相邻的工作端关节210之间通过工作端中心块220相连，相邻的两个工作端关节210可分别相对于二者之间的工作端中心块220朝不同方向转动。以最底部的一个工作端关节210为例，该工作端关节210与四根工作端驱动绳230相连，工作端驱动绳230缠绕在工作端滑轮240上，且工作端滑轮240与电机250相连，其能在电机250的驱动下进行转动，以收回或放出一段工作端驱动绳230。另外，在工作端驱动绳230上还串联有拉力传感器260，用于监测工作端驱动绳230的拉力是否处于正常范围内。
通过操作端柔性臂100控制工作端柔性臂200运动时，需要先获取操作端驱动绳130的绳长变化量。设共有p根操作端驱动绳(用驱动端关节110的数量乘以与每个驱动端关节110相连的操作端驱动绳130的数量得出)，工作端驱动绳230的数量与其相同。操作端柔性臂100朝着工作端柔性臂200末端需要运动的方向运动，操作端驱动绳130被拉动或放出，并带动操作端滑轮140转动。
首先等时间间隔Δt采集操作端驱动绳130的绳长变化量。操作端滑轮140的半径为r，通过绳长编码器150记录与第i根操作端驱动绳130相连的操作端滑轮140的旋转圈数qi，从而获取第tj时刻遥控装置绳长的变化量：
Figure BDA0002406973400000041
由此可获得运动过程中操作端柔性臂100的全部绳长变化量：
Figure BDA0002406973400000042
因此，工作端柔性臂200达到相同位姿时全部工作端驱动绳230的绳长变化量为：
Figure BDA0002406973400000043
将上述工作端驱动绳230的绳长变化量传至工作端柔性臂200，通过三次样条插值法获取工作端柔性臂200的绳长-时间曲线函数。根据公式(3)可知，工作端柔性臂200的第i根工作端驱动绳230的绳长变化量为
Figure BDA0002406973400000051
设在第j个节点上的绳长变化加速度为mj；
计算步长h＝Δt；共有n+1个节点，t0＝0，
Figure BDA0002406973400000052
为使运动曲线平滑，运动过程中首尾两段绳的加速度取0，即m0＝mn＝0，则三次样条曲线方程组为：
Figure BDA0002406973400000053
求解矩阵方程(5)，计算三次样条曲线系数为：
Figure BDA0002406973400000054
Figure BDA0002406973400000055
cu＝mu/2 (8)
Figure BDA0002406973400000056
其中u＝0，1，2，…，n-1；
根据公式(6)、(7)、(8)、(9)得，在子区间t∈(uΔt，(u+1)Δt)中，
Δl′i＝au+bu(t-uΔt)+cu(t-uΔt)2+du(t-uΔt)3 (10)
将每个子区间Δl′i函数合并则获得工作端柔性臂200的第i根工作端驱动绳230的绳长-时间曲线。可根据此方法求得所有工作端驱动绳的绳长-时间曲线。
为了提高运动的精确度，优选的，以更小的时间间距Δt’等间距划分绳长-时间曲线，求出新的工作端驱动绳230的绳长变化量节点。设工作端柔性臂200第i根工作端驱动绳230的绳长变化量的新节点为
Figure BDA0002406973400000061
则当t∈(u′Δt′，(u′+1)Δt′)(u′＝0，1，2，…，n′-1)时，工作端柔性臂200的第i根工作端驱动绳230的绳长变化量为
Figure BDA0002406973400000062
绳运动速度为
Figure BDA0002406973400000063
在工作端中工作端滑轮240的半径为r2，可以求得，t∈(u′Δt′，(u′+1)Δt′)时，第i根工作端驱动绳230对应的电机250的转动到的位置为：
Figure BDA0002406973400000064
第i根工作端驱动绳230对应的电机250的速度为：
Figure BDA0002406973400000065
在上述过程中，拉力传感器260实时测量工作端驱动绳230所受拉力值，若超过最大承受拉力值，则发送信号到操作端，使其停止运动。
另外，在工作端还设有视觉导引系统，用于实时获取工作端柔性臂200的位姿，以判断操作端柔性臂100所需的运动朝向，以及判断工作端柔性臂200是否有可能碰撞到外部部件。
第二实施例
本实施例是第一实施例的替代实施例，在本实施例中，与第一实施例不同的是，无需设置绳长编码器150，在每两个操作端关节110之间设有关节编码器160，用于获取当前构型下这两个关节间的角度。并通过关节角求得操作端驱动绳130的绳长变化量。
首先等时间间隔Δt采集运动过程中操作端柔性臂100的构型角度值，角度值与工作端柔性臂100相同；
根据各关节角度值确定工作端柔性臂200的构型，计算工作端柔性臂200的工作端驱动绳230绳长。现有的根据关节角计算单根驱动绳在单个子关节上绳索变化量的计算公式为：
Figure BDA0002406973400000071
其中，
Figure BDA0002406973400000072
为第m关节段的第i关节的坐标变换旋转角。
通过公式(14)，可以求出第tj时刻第i根工作端驱动绳230在单个关节的绳长变化量。将工作端柔性臂200的第tj时刻第i根工作端驱动绳230所经过的全部关节上的绳长变化量叠加，即求得第i根工作端驱动绳230在第tj时刻的绳长变化量：
Figure BDA0002406973400000073
由此可获得运动过程中工作端柔性臂200的全部驱动绳变化量：
Figure BDA0002406973400000074
之后的计算过程与第一实施例相同，故不再赘述。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种绳驱柔性臂的控制方法，用于对工作端柔性臂进行远程控制，其特征在于，包括如下步骤：
S10设置操作端柔性臂，所述操作端柔性臂的形状与所述工作端柔性臂相同，且所述工作端柔性臂与所述操作端柔性臂的尺寸比例为k；
S20获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl；
S30计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl′，Δl′＝k·Δl；
S40根据绳长变化量计算所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长-时间函数；
S50根据绳长-时间函数驱动所述工作端柔性臂运动。
2.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl的方法为：设置绳长编码器，通过所述绳长编码器获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl。
3.根据权利要求2所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，通过所述绳长编码器获取与所述操作端柔性臂的驱动绳连接的滑轮的转动圈数q，所述滑轮的半径为r，Δl＝πrq。
4.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，获取所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl的方法为：设置角度编码器，通过所述角度编码器获取所述操作端柔性臂的关节角，并通过关节角计算获得所述操作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量Δl。
5.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，对所述工作端柔性臂的驱动绳的绳长变化量进行三次样条插值法以获得绳长-时间函数。
6.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，在步骤S40与S50之间还包括步骤S41：将所述绳长-时间函数划分为多个区间，求出各个区间内的绳长变化量。
7.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，设置视觉导引系统，通过所述视觉导引系统获取所述工作端柔性臂的位姿。
8.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，所述工作端柔性臂与所述操作端柔性臂之间通过通信模块实现通信。
9.根据权利要求1所述的绳驱柔性臂的控制方法，其特征在于，设置拉力传感器，使所述拉力传感器与所述工作端柔性臂的驱动绳串联。
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