CN111546339A - 一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法及系统。首先根据指定的目标位置先通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端快速移动到目标位置附近，优化求解过程简单、快捷，从而实现了软体机械臂末端短时间内的快速移动，再根据测量反馈的软体机械臂末端位置与目标位置之间的位置偏差比较，当位置偏差超出误差精度范围时，采用比例反馈控制的方式对气压输入序列进行不断迭代优化求解直至位置偏差在误差精度范围内，从而实现了末端位置的精准调节，通过采用快速定位和精确调节相结合的闭环控制策略，实现了软体机械臂末端的快速、精准定位移动。

Description

一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及气囊型软体机械臂控制技术领域，特别地，涉及一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法及系统。

背景技术

气囊型软体机械臂由于具有高度的运动灵活性与良好的环境适应性，逐步向医疗、家庭服务以及人体运动辅助等领域拓展，并展现了其独特的优势。如图1和图2所示，现有公开的一种气囊型软体机械臂由三段细长的变截面充气结构串联组成，从固定支座到末端抓手位置，截面半径依次减小。每段变截面充气结构由三个周向均匀分布的波纹管并联组成，且并联的波纹管由一系列刚性框连接成为一个整体。软体机械臂的各波纹管采用单独的气压控制，通过改变并联波纹管组不同腔段的压强，进而实现软体机械臂结构的伸缩与弯曲变形。图1和图2中的软体机械臂共有9段波纹管通过串并联组成，相应地，共有9路独立的气压控制，通过控制不同的气压组合实现机械臂复杂的空间运动。因此，如何对气囊型软体机械臂进行快速、精准地控制对于其能否实现应用十分重要。

现有已公开专利(CN201910878124.2)公开了一种平面气驱软体机械臂逆运动学求解方法，其采用逆运动学求解方法对软体机械臂在平面内的运动进行控制，但是其无法实时监测软体机械臂的空间构型，属于开环控制，控制精度较差，并且其逆运动学求解过程复杂，从而导致机械臂的响应时间较长，无法实现机械臂的快速移动。

发明内容

本发明提供了一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法及系统，以解决现有的气囊型软体机械臂运动控制方法存在的无法实现快速、精准移动的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，所述气囊型软体机械臂由p段充气结构串联而成，p≥1，每段充气结构由q段波纹管并联而成，q≥3，气囊型软体机械臂的气压输入数目为p*q，所述气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法包括以下步骤：

步骤S1：设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端移动到目标位置附近；

步骤S2：测量得到气囊型软体机械臂末端的当前位置；

步骤S3：计算当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度。

进一步地，所述步骤S1中基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列的过程具体包括以下内容：

设计变量为气囊型软体机械臂各个腔体的气压，约束条件为各个腔体的压强值不超过上限值，优化的目标函数为使得气囊型软体机械臂末端与目标位置之间的偏差最小化；

进行目标函数优化求解得到一组气压输入序列，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，r为目标位置，r(p)表示气囊型软体机械臂末端位置关于输入气压的运动学模型，该运动学模型通过有限元模型得到或者通过解析得到。

进一步地，所述步骤S1中的运动学模型通过以下解析方法得到：

将气囊型软体机械臂的每段波纹管用欧拉梁建模，气压对波纹管的作用力用施加在波纹管两端的集中力等效，建立输入气压与气囊型软体机械臂变形之间的解析关系。

进一步地，对于由若干段充气结构串联、每段充气结构由3段波纹管并联组成的气囊型软体机械臂，选取软体机械臂的固定端作为坐标原点，其第h段的末端位置相对于第h-1段的末端位置的表达式为：

其中，I_3×3为三阶单位矩阵，s为第h段波纹管串联的单元数目，H_(i-1)i与t表示为

其中，k为每段波纹管的轴向刚度，L₀为每段波纹管的初始长度，S为波纹管的横截面积，三个波纹管气腔的输入气压分别记为p₁、p₂、p₃，其它四个参量M、W_i、α、θ_i通过以下公式求解得到：

其中，I为每段波纹管的惯性矩，a_i为第i节软体机械臂的横截面边长。

进一步地，所述步骤S3中采用以下运动学拟合模型对气压输入序列进行迭代优化，

其中，Δp_i＝p_i-p_i0，近似阶数根据精度要求进行选择，偏分系数根据仿真数据拟合得到。

进一步地，所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程包括以下内容：

将位置偏差引入到优化目标函数中，通过闭环反馈控制使软体机械臂末端位置不断趋近目标位置，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，β为位置偏差比例系数，重复执行步骤S2和S3，直至位置偏差小于等于预设的误差精度。

进一步地，所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程还包括以下内容：

将当前迭代步得到的气压优化结果与上一迭代步得到的气压优化结果进行插值，根据预设的气压变化间隔生成相邻两个气压优化结果之间的气压插值序列，并将该气压插值序列作为气压输入序列。

进一步地，所述目标位置为固定的目标点位置或者是在三维空间内运动的目标点的运动轨迹。

进一步地，当所述目标位置为在三维空间内运动的目标点的运动轨迹时，需先将指定的目标点的运动轨迹离散为一组目标位置序列，然后在后续路径跟踪过程中按照该目标位置序列不断切换目标位置。

本发明还提供一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统，包括

气源，用于提供高压气体；

固定支座，用于固定安装气囊型软体机械臂；

多路气压控制器，用于控制气囊型软体机械臂的每个腔体的输入气压；

高精度运动测量系统，用于测量气囊型软体机械臂末端的实时位置；

数据采集处理器，用于获取高精度运动测量系统的测量结果并将其传输至工作站；

工作站，用于设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，并根据该气压输入序列生成对应的控制指令传输至多路气压控制器，还用于计算气囊型软体机械臂末端的当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度；

所述多路气压控制器通过管路分别与气源和气囊型软体机械臂的各个腔体连通，所述工作站分别与多路气压控制器、数据采集处理器通信连接，所述数据采集处理器与高精度运动测量系统通信连接。

本发明具有以下效果：

本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，首先根据指定的目标位置先通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端快速移动到目标位置附近，优化求解过程简单、快捷，从而实现了软体机械臂末端短时间内的快速移动，再根据测量反馈的软体机械臂末端位置与目标位置之间的位置偏差比较，当位置偏差超出误差精度范围时，采用比例反馈控制的方式对气压输入序列进行不断迭代优化求解直至位置偏差在误差精度范围内，从而实现了末端位置的精准调节。本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，通过采用快速定位和精确调节相结合的闭环控制策略，软体机械臂的响应速度快、定位精准度高，实现了软体机械臂末端的快速、精准定位移动。

另外，本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的一种气囊型软体机械臂的主视示意图。

图2是图1中的气囊型软体机械臂的轴测示意图。

图3是本发明优选实施例的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法的流程示意图。

图4是本发明具体实施例的闭环控制误差精度设置为10mm时，气囊型软体机械臂末端在闭环控制下的移动路径示意图。

图5是本发明具体实施例的闭环控制误差精度设置为10mm时，闭环控制收敛速度的示意图。

图6是本发明另一具体实施例的闭环控制误差精度设置为1mm时，气囊型软体机械臂末端在闭环控制下的移动路径示意图。

图7是本发明另一具体实施例的闭环控制误差精度设置为1mm时，闭环控制收敛速度的示意图。

图8是本发明另一实施例的气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图3所示，本发明的优选实施例提供一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，用于控制气囊型软体机械臂快速、精准地运动。所述气囊型软体机械臂由p段充气结构串联而成，p≥1，每段充气结构由q段波纹管并联而成，q≥3，气囊型软体机械臂的气压输入数目为p*q，相邻的波纹管之间设置有刚性约束框，在提高机械臂刚度和稳定度的同时，确保机械臂在运动过程中刚性约束框所在位置的结构具有相同的空间指向。可以理解，所述气囊型软体机械臂的结构与图1、图2中的气囊型软体机械臂系统的结构类似，区别在于串联的充气结构数量不做具体限定，且每段充气结构中并联的波纹管数量不做具体限定。因此，气囊型软体机械臂所有气腔的压强输入可表示为：

p＝[p₁ p₂…p_N]^T (1)

其中，N为气囊型软体机械臂所包含的波纹管总个数，即为p*q。

另外，还可以理解，本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法需要以下硬件支撑：工作站、多路气压控制器、气源、数据采集器、高精度运动测量系统、固定支座等，其中，气源作为整个闭环控制系统的输入端，为整个系统提供高压气体，故多路气压控制器的压强调节范围不高于气源的输入气压。软体机械臂的顶端固定安装在固定支座上，使得顶部位置和姿态保持不变，通过气压输入控制软体机械臂变形，从而改变软体机械臂末端的位置，实现定点捕获、连续路径跟踪等功能。高精度运动测量系统和数据采集器则为工作站提供实时软体机械臂末端位置测量数据，工作站根据软体机械臂末端位置实时数据与目标位置，执行闭环运动程序，求解软体机械臂的输入气压序列。根据工作站提供的输入气压值，多路气压控制器执行指令将软体机械臂各个气腔的压强调节为输入气压。此外，软体机械臂末端设置有由三个对称分布的手指组合而成的执行抓手，每个手指可根据抓取物体表面的不同形状产生适应性变形，从而实现柔性抓取，执行抓手的驱动方式可以是气驱或者电驱控制，实现抓手的开合操作。当然，在本发明的其它实施例中，执行抓手可以省略，可以在软体机械臂末端设置其它末端操控装置，或者不设置任何的末端操控装置。

其中，所述气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法具体包括以下步骤：

步骤S1：设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端移动到目标位置附近；

步骤S2：测量得到气囊型软体机械臂末端的当前位置；

步骤S3：计算当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度。

可以理解，本优选实施例的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，首先根据指定的目标位置先通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端快速移动到目标位置附近，优化求解过程简单、快捷，从而实现了软体机械臂末端短时间内的快速移动，再根据测量反馈的软体机械臂末端位置与目标位置之间的位置偏差比较，当位置偏差超出误差精度范围时，采用比例反馈控制的方式对气压输入序列进行不断迭代优化求解直至位置偏差在误差精度范围内，从而实现了末端位置的精准调节。本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，通过采用快速定位和精确调节相结合的闭环控制策略，软体机械臂的响应速度快、定位精准度高，实现了软体机械臂末端的快速、精准定位移动。

可以理解，气囊型软体机械臂闭环运动控制算法的设计，就是在给定目标点位置的条件下，优化设计软体机械臂中各个气腔的压力输入组合，在该压力组合驱动下使机械臂末端运动到目标点位置。具体地，所述步骤S1中基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列的过程具体包括以下内容：

首先，设计变量为气囊型软体机械臂各个腔体的气压，约束条件为各个腔体的压强值不超过上限值，从而保证软体机械臂的结构不被破坏，而优化的目标函数为使得气囊型软体机械臂末端与目标位置之间的偏差最小化；

然后，进行目标函数优化求解得到一组气压输入序列，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，r为目标位置，r(p)表示气囊型软体机械臂末端位置关于输入气压的运动学模型，该运动学模型通过有限元模型得到或者通过解析得到。另外，所述步骤S1中采用序列二次优化方法对上述优化问题进行求解，其中，序列二次优化方法是优化领域成熟的算法，具体过程在此不再赘述。

可以理解，在所述步骤S1中，通过将闭环运动控制算法设计转变成目标优化问题求解，大幅度降低了闭环运动控制算法中涉及的数据计算量，有利于实现软体机械臂移动的快速定位。

作为优选的，所述步骤S1中的运动学模型通过以下解析方法得到：

将气囊型软体机械臂的每段波纹管用欧拉梁建模，气压对波纹管的作用力用施加在波纹管两端的集中力等效，建立输入气压与气囊型软体机械臂变形之间的解析关系。

具体地，对于由若干段充气结构串联、每段充气结构由3段波纹管并联组成的气囊型软体机械臂，选取软体机械臂的固定端(即顶端)作为坐标原点，其第h段的末端位置相对于第h-1段的末端位置的表达式为：

其中，I_3×3为三阶单位矩阵，s为第h段波纹管串联的单元数目，H_(i-1)i与t表示为

其中，k为每段波纹管的轴向刚度，L₀为每段波纹管的初始长度，S为波纹管的横截面积，三个波纹管气腔的输入气压分别记为p₁、p₂、p₃，其它四个参量M、W_i、α、θ_i通过以下公式求解得到：

其中，I为每段波纹管的惯性矩，a_i为第i节软体机械臂的横截面边长。该运动学模型对变截面软体机械臂依然适用，波纹管构成的横截面三角形边长可沿轴线方向改变。

可以理解，所述步骤S1中不需要逐步迭代修正，只需要一次优化求解过程便可将软体机械臂末端快速定位到指定的目标位置附近，使得控制流程大幅度简化，节省了软体机械臂的响应时间，实现了控制初期对软体机械臂末端的快速定位。

可以理解，在所述步骤S2中通过高精度运动测量系统测量气囊型软体机械臂末端的实时位置。

可以理解，由于结构阻尼、气压控制器精度以及静力学模型误差等因素的影响，步骤S1可以实现软体机械臂末端快速运动到目标位置附近，但是难以达到软体机械臂末端与目标位置精确重合的效果。因此在快速定位的基础上，当软体机械臂末端运动到目标位置附近时，需要通过反馈控制精确调节软体机械臂末端的位置，尽可能缩小软体机械臂末端与目标位置之间的偏差，实现对软体机械臂末端位置的精确调节。具体实现上，通过高精度运动测量系统采集软体机械臂末端的实时位置，并经由数据采集处理器将数据传输到工作站，工作站根据目标位置与当前软体机械臂末端真实位置，求得软体机械臂末端的位置偏差，可表示如下：

Δ＝|r(p)-r| (6)

预设软体机械臂末端的误差精度为ε，若Δ＞ε，则当前软体机械臂末端误差过大，不满足控制精度的要求，需要进行精确调节；若Δδε，则当前软体机械臂末端误差已经在控制精度要求范围之内，不再需要精确调节。

作为优选的，考虑到基于位置测量反馈的近似模型精确修正需要多次迭代，为提高迭代效率，所述步骤S3采用了软体机械臂的运动学拟合模型。具体而言，通过将软体机械臂气压输入与末端位置输出近似为n阶拟合函数的形式，其一般形式为：

其中，Δp_i＝p_i-p_i0，近似阶数根据精度要求进行选择，偏分系数根据仿真数据拟合得到。

以一阶近似为例，并在压力输入为0时进行泰勒展开近似，得到一阶拟合模型为：

另外，所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程具体包括以下内容：

将软体机械臂末端的位置偏差引入到优化目标函数中，通过闭环反馈控制使软体机械臂末端位置不断趋近目标位置，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，β为位置偏差比例系数，重复执行步骤S2和S3，直至位置偏差小于等于预设的误差精度。另外，所述步骤S3中采用序列二次优化方法对上述优化问题进行求解，其中，序列二次优化方法是优化领域成熟的算法，具体过程在此不再赘述。

可以理解，所述步骤S3中通过将软体机械臂末端的位置偏差引入到优化目标函数中，既不会大幅度增加优化求解过程的计算量，而且确保了调节精度。并且，在优化目标的设置上，没有选择将软体机械臂末端位置与目标位置重合作为约束条件，而是将软体机械臂末端位置与目标位置之间的位置偏差最小化作为优化目标，这样做的优势在于：保证闭环控制过程中，每一次反馈控制均能得到一个收敛解。考虑到实际中目标位置有可能位于软体机械臂末端的运动包络之外，该控制策略能够在确保运动收敛的情况下，实现与目标位置偏差的最小化，提升了闭环运动控制的鲁棒性。

作为优选的，所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程还包括以下内容：

将当前迭代步得到的气压优化结果与上一迭代步得到的气压优化结果进行插值，根据预设的气压变化间隔生成相邻两个气压优化结果之间的气压插值序列，并将该气压插值序列作为气压输入序列。

可以理解，所述步骤S3中，针对气囊型软体机械臂特有的气压驱动方式，对迭代过程中相邻的两个优化结果进行插值，并根据预设的气压变化间隔生成一组密集的气压插值序列，并将其作为气囊型软体机械臂的气压输入序列，可防止气压突变引起的气囊型软体机械臂结构的剧烈震动，实现了对气囊型软体机械臂末端的振动抑制，进一步确保了气囊型软体机械臂可以快速、精准定位。

可以理解，本发明的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法支持两种模式，一种为定点捕获模式，另一种为路径跟踪模式。其中，定点捕获模式的任务要求为：目标点的位置固定，控制气压输入使得软体机械臂末端快速精确达到目标位置；而路径跟踪模式的任务要求为：目标点在三维空间内运动，需要软体机械臂末端实时跟踪其运动轨迹。因此，所述步骤S1中的目标位置可以是固定的目标点位置，或者是在三维空间内运动的目标点的运动轨迹。

而当所述目标位置为在三维空间内运动的目标点的运动轨迹时，需先将指定的目标点的运动轨迹离散为一组目标位置序列r_k,k＝1,2,…,n，离散的疏密程度依据跟踪精度要求而定，然后在后续路径跟踪过程中按照该目标位置序列不断切换目标位置。

具体地，将路径离散得到的位置序列保存在工作站中，每一个目标位置均包含粗略控制与精确调节两步。若当前目标位置为r_k，通过粗略控制与精确调节后，保证软体机械臂末端位置到达r_k所允许的偏差范围。其中，粗略控制的优化求解方法可描述为：

此时优化的设计变量为执行到第k步时的软体机械臂各个气压值p_k。第k步粗略控制完成后，继续执行精确调节，精细调节的优化求解方法可描述为

当目标位置与真实位置之间的位置偏差满足误差精度要求时，跳出本步循环，第k步路径跟踪结束。在此基础上将当前目标位置切换到下一个目标位置r_k+1，依次递推直至遍历所有目标位置序列。

为验证上述闭环运动控制方法的控制效果，下面给出了两个气囊型软体机械臂闭环控制具体实施例。

在实施例1中，将闭环控制的误差精度设置为10mm。由图4可以看出，经过第1步快速定位后，气囊型软体机械臂末端真实位置与目标位置之间的偏差由200mm减小至70mm；经过第2～4步的精确修正后，气囊型软体机械臂末端真实位置与目标位置之间的偏差由70mm减小到3mm，此时已经满足给定的误差精度要求。概括整个闭环控制过程，共计需要四个迭代步，即一步快速定位与三步精确修正。而图5给出了闭环控制过程中，每一步的位置偏差，可以看出，快速定位实现了对目标位置短时间趋近，但位置偏差较大，在此基础上，精确修正实现了对目标位置的精确抵达。

在实施例2中，将闭环控制的误差精度设置为1mm。由图6可以看出，经过第1步快速定位后，气囊型软体机械臂末端真实位置与目标位置之间的位置偏差由150mm减小至75mm；经过第2～7步的精确修正后，气囊型软体机械臂末端真实位置与目标位置之间的偏差由75mm减小到0.6mm，此时已经满足给定的误差精度要求。概括整个闭环控制过程，共计需要七个迭代步，即一步快速定位与六步精确修正。图7给出了闭环控制过程中每一步的位置偏差，相比于实施例1，实施例2的位置精度高出一个量级，因此需要更多的精确修正步数实现真实位置向目标位置的趋近。

另外，如图8所示，本发明还提供一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统，其优选采用如上述优选实施例所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，该系统包括

气源，用于提供高压气体；

固定支座，用于固定安装气囊型软体机械臂；

多路气压控制器，用于控制气囊型软体机械臂的每个腔体的输入气压；

高精度运动测量系统，用于测量气囊型软体机械臂末端的实时位置；

数据采集处理器，用于获取高精度运动测量系统的测量结果并将其传输至工作站；

工作站，用于设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，并根据该气压输入序列生成对应的控制指令传输至多路气压控制器，还用于计算气囊型软体机械臂末端的当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度；

所述多路气压控制器通过管路分别与气源和气囊型软体机械臂的各个腔体连通，所述工作站分别与多路气压控制器、数据采集处理器通信连接，所述数据采集处理器与高精度运动测量系统通信连接。

可以理解，所述气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统的各个组成部件的具体工作原理和工作过程在上述方法实施例中已经具体阐述，故在此不再赘述，参考上述方法实施例即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，所述气囊型软体机械臂由p段充气结构串联而成，p≥1，每段充气结构由q段波纹管并联而成，q≥3，气囊型软体机械臂的气压输入数目为p*q，其特征在于，

所述气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法包括以下步骤：

步骤S1：设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，根据该气压输入序列向气囊型软体机械臂中输入气压以驱使气囊型软体机械臂末端移动到目标位置附近；

步骤S2：测量得到气囊型软体机械臂末端的当前位置；

步骤S3：计算当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度。

2.如权利要求1所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述步骤S1中基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列的过程具体包括以下内容：

设计变量为气囊型软体机械臂各个腔体的气压，约束条件为各个腔体的压强值不超过上限值，优化的目标函数为使得气囊型软体机械臂末端与目标位置之间的偏差最小化；

进行目标函数优化求解得到一组气压输入序列，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，r为目标位置，r(p)表示气囊型软体机械臂末端位置关于输入气压的运动学模型，该运动学模型通过有限元模型得到或者通过解析得到。

3.如权利要求2所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述步骤S1中的运动学模型通过以下解析方法得到：

将气囊型软体机械臂的每段波纹管用欧拉梁建模，气压对波纹管的作用力用施加在波纹管两端的集中力等效，建立输入气压与气囊型软体机械臂变形之间的解析关系。

4.如权利要求3所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

对于由若干段充气结构串联、每段充气结构由3段波纹管并联组成的气囊型软体机械臂，选取软体机械臂的固定端作为坐标原点，其第h段的末端位置相对于第h-1段的末端位置的表达式为：

其中，I_3×3为三阶单位矩阵，s为第h段波纹管串联的单元数目，H_(i-1)i与t表示为

其中，k为每段波纹管的轴向刚度，L₀为每段波纹管的初始长度，S为波纹管的横截面积，三个波纹管气腔的输入气压分别记为p₁、p₂、p₃，其它四个参量M、W_i、α、θ_i通过以下公式求解得到：

其中，I为每段波纹管的惯性矩，a_i为第i节软体机械臂的横截面边长。

5.如权利要求1所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述步骤S3中采用以下运动学拟合模型对气压输入序列进行迭代优化，

其中，Δp_i＝p_i-p_i0，近似阶数根据精度要求进行选择，偏分系数根据仿真数据拟合得到。

6.如权利要求5所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程包括以下内容：

将位置偏差引入到优化目标函数中，通过闭环反馈控制使软体机械臂末端位置不断趋近目标位置，其中目标函数优化求解过程如下：

其中，β为位置偏差比例系数，重复执行步骤S2和S3，直至位置偏差小于等于预设的误差精度。

7.如权利要求6所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述步骤S3中采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化的过程还包括以下内容：

将当前迭代步得到的气压优化结果与上一迭代步得到的气压优化结果进行插值，根据预设的气压变化间隔生成相邻两个气压优化结果之间的气压插值序列，并将该气压插值序列作为气压输入序列。

8.如权利要求1～7任一项所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

所述目标位置为固定的目标点位置或者是在三维空间内运动的目标点的运动轨迹。

9.如权利要求8所述的气囊型软体机械臂的闭环运动控制方法，其特征在于，

当所述目标位置为在三维空间内运动的目标点的运动轨迹时，需先将指定的目标点的运动轨迹离散为一组目标位置序列，然后在后续路径跟踪过程中按照该目标位置序列不断切换目标位置。

10.一种气囊型软体机械臂的闭环运动控制系统，其特征在于，包括

气源，用于提供高压气体；

固定支座，用于固定安装气囊型软体机械臂；

多路气压控制器，用于控制气囊型软体机械臂的每个腔体的输入气压；

高精度运动测量系统，用于测量气囊型软体机械臂末端的实时位置；

数据采集处理器，用于获取高精度运动测量系统的测量结果并将其传输至工作站；

工作站，用于设定目标位置并基于目标位置通过优化方法求解得到一组气压输入序列，并根据该气压输入序列生成对应的控制指令传输至多路气压控制器，还用于计算气囊型软体机械臂末端的当前位置和目标位置之间的位置偏差，并将计算得到的位置偏差与预设的误差精度进行比较，若位置偏差小于等于预设的误差精度，则判定气囊型软体机械臂的末端误差在控制精度范围内，若位置偏差大于预设的误差精度，则采用比例反馈控制的方式对气压输入序列不断进行迭代优化直至位置偏差小于等于预设的误差精度；

所述多路气压控制器通过管路分别与气源和气囊型软体机械臂的各个腔体连通，所述工作站分别与多路气压控制器、数据采集处理器通信连接，所述数据采集处理器与高精度运动测量系统通信连接。

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