一种绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法

技术领域

本发明涉及绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法及系统，属于机器人控制领域。

背景技术

绳驱柔性机械臂具有臂形纤细、机电分离、自由度多等优点，已经在医疗健康、核电和航空发动机检修等领域取得了良好的应用。绳索驱动串联式超冗余机械臂普遍使用十字轴连接的机械臂关节，每个机械臂关节具备两个自由度变化，机械臂之间通常机械臂关节通常由三根驱动绳驱动一个机械臂关节。但是，由于驱动绳索可能的断裂等故障，导致机械臂部分关节失效或失控，影响绳驱超冗余机械臂的性能甚至无法继续工作。因此，需要提供一种新的规划方法以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法及系统，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案涉及一种绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法，包括：多个臂杆，连接相邻所述臂杆的机械臂关节，所述机械臂关节包括对应设置的第一关节面板及第二关节面板，所述第一关节面板及第二关节面板通过具备多个自由度的十字轴连接，所述第一关节面板的周围设有多个第一驱动绳通孔，所述第二关节面板的周围设有多个第二驱动绳通孔，多条驱动绳依次穿过多对第一驱动绳通孔及第二驱动绳通孔，所述方法包括以下步骤：

S100、当其中一根驱动绳断裂后，利用剩余的驱动绳将断裂驱动绳部分对应的机械臂关节拉至机械限位；

S200、根据所述第一关节面板及第二关节面板之间的机械极限弯曲角度，结合所述等效弯曲平面方向角，然后分别计算出剩余的两根驱动绳的绳长驱动量、控制机械臂关节运动到极限构型；

S300、计算剩余驱动绳的驱动量，控制机械臂运动到对应的极限构型；

S400、根据所述极限构型的角度锁定断裂的驱动绳所在的关节段角度，采用速度级雅可比伪法求解下一步的规划任务，分析故障构型下任务是否可达，若不可达或环境干涉，进一步调整机械臂的位姿后重新求解，直到剩下的所述机械臂关节完成机械臂轨迹规划任务执行。

进一步，所述步骤S100包括：在断裂驱动绳部分对应的机械臂关节中，符合下式关系：

β

其中，β

进一步，所述步骤S200包括：所述第一关节面板的一侧面设有第一连杆，所述第二关节面板的一侧面第二连杆，所述第一连杆及第二连杆通过中心块铰链连接，穿过所述中心块互相垂直的第一中轴及第二中轴，其中，在机械臂关节的初始状态下，等效弯曲平面方向夹角及极限弯曲角度的角度均为零，所述第一连杆、中心块及第二连杆的坐标系的Z轴及Y轴分别平行于第一中轴及第二中轴。

进一步，所述步骤S200包括：所述第一连杆、中心块及第二连杆分别定义坐标系为{i,1}、 {i,0}及{i,2}，所述第一中轴及第二中轴分别定义为ξ

其中，d＝O

进一步，所述步骤S200包括：

S210、从坐标系{i,0}到{i,2}的齐次变化齐次变换矩阵符合下式关系，

其中，Rot()是机械臂关节平移的函数。

进一步，所述步骤S200包括：

S220、从坐标系{i,1}到{i,2}根据下式进行变换矩阵，

其中，从坐标系{i,1}到{i,2}中，所述机械臂关节经历至少三次旋转，符合下式关系，

其中，β′

进一步，所述步骤S200包括：

S230、坐标系{i,1}及{i,2}是一致时，得到下式关系，

然后得到下式关系，

其中，sinβ

当β

进一步，所述步骤S300包括：通过下使计算剩余两根驱动绳的驱动量，

其中，f

进一步，其中，所述第一关节面板及第二关节面板通过具备两个自由度的十字轴连接，三条驱动绳依次穿过多对第一驱动绳通孔及第二驱动绳通孔，所述机械臂的首端及末端分别连接有驱动箱及机械臂末端执行器。

一种计算机可读存储介质，其上储存有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实施如上述的方法。

本发明的有益效果如下。

上述的绳驱柔性机械臂故障绳驱柔性机械臂的驱动绳遇到可能的断裂等故障后，导致机械臂部分关节失效或失控，利用剩余的驱动绳将关节拉至机械限位，形成力封闭和平衡，实现机械臂关节的锁定，利用剩余的关节均能完成机械臂轨迹规划和机械臂任务的执行。

附图说明

图1是根据本发明的绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法的总体流程图。

图2是根据本发明实施例中的机械臂的连接示意图。

图3是根据本发明实施例中的绳驱超冗余机械臂的示意图。

图4是根据本发明实施例中的机械臂关节伸直状态的结构示意。

图5是根据本发明实施例中的机械臂关节工作状态的结构示意。

图6是根据本发明实施例中的机械臂关节断裂其中一根驱动绳的结构示意。

图7是根据本发明实施例中的驱动绳索绳孔分布的示意图。

图8是根据本发明实施例中的机械臂关节坐标系的示意图。

图9是根据本发明实施例中的机械臂关节对应的一般运动学几何模型。

图10是根据本发明实施例中的机械臂关节对应的等效几何模型。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。本文所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

参照图1至图10，在一些实施例中，本发明公开了一种绳驱超冗余机械臂的故障后的规划方法，包括：

参照图2的多个臂杆30，连接相邻所述臂杆30的机械臂关节20，图中有6个机械臂关节20结合臂杆30装配。具体地，参照图4至5，所述机械臂关节20包括对应设置的第一关节面板21及第二关节面板22，所述第一关节面板21及第二关节面板22通过具备多个自由度的十字轴23连接，所述第一关节面板21的周围设有多个第一驱动绳通孔，所述第二关节面板22的周围设有多个第二驱动绳通孔。

具体地，机械臂还包括以下的结构，所述第一关节面板21及第二关节面板22通过至少具备两个自由度的十字轴23连接，三条驱动绳30依次穿过多对第一驱动绳通孔及第二驱动绳通孔，所述机械臂的首端及末端分别连接有驱动箱10及机械臂末端执行器40。

参照图4，多条驱动绳30依次穿过多对第一驱动绳通孔及第二驱动绳通孔。具体地，图中机械臂关节20具有三根驱动绳30穿过。

参照图1的流程图，上述的方法包括以下步骤：

S100、当其中一根驱动绳断裂后，利用剩余的驱动绳将断裂驱动绳部分对应的机械臂关节拉至机械限位。

S200、根据所述第一关节面板及第二关节面板之间的机械极限弯曲角度，结合所述等效弯曲平面方向角，然后分别计算出剩余的两根驱动绳的绳长驱动量、控制机械臂关节运动到极限构型。

S300、计算剩余驱动绳的驱动量，控制机械臂运动到对应的极限构型。

S400、根据所述极限构型的角度锁定断裂的驱动绳所在的关节段角度，采用速度级雅可比伪法求解下一步的规划任务，分析故障构型下任务是否可达，若不可达或环境干涉，进一步调整机械臂的位姿后重新求解，直到剩下的所述机械臂关节完成机械臂轨迹规划任务执行。

对于所述步骤S100的进一步的实施方式

参照图5的机械臂关节20中，假设其中一根驱动绳30断裂缺失，机械臂关节20中剩余的两根驱动绳30拉动第一关节面板21到达如图6的机械限位。在断裂驱动绳部分对应的机械臂关节中，符合下式关系：

β

其中，β

对于所述步骤S200的进一步的实施方式

参照图7的驱动绳绳孔分布示意图，所述第一关节面板21的一侧面设有第一连杆211，所述第二关节面板22的一侧面第二连杆221。所述第一连杆211及第二连杆221通过中心块铰链连接，穿过所述中心块互相垂直的第一中轴ξ

其中，在机械臂关节的初始状态下，等效弯曲平面方向夹角及极限弯曲角度的角度均为零，所述第一连杆、中心块及第二连杆的坐标系的Z轴及Y轴分别平行于第一中轴ξ

具体地，所述第一连杆211、中心块及第二连杆221分别定义坐标系为{i,1}、{i,0}及 {i,2}，所述第一中轴及第二中轴分别定义为ξ

上述位于机械臂关节20处于机械限位，对应图9的一般运动学几何模型，然后对应图10 的等效几何模型。从坐标系{i,1}到{i,0}的齐次变化齐次变换矩阵符合下式关系，

参照图9，其中，d＝O

所述步骤S200还包括：

S210、从坐标系{i,0}到{i,2}的齐次变化齐次变换矩阵符合下式关系，

其中，Rot()是机械臂关节平移的函数。

S220、从坐标系{i,1}到{i,2}根据下式进行变换矩阵，

其中，从坐标系{i,1}到{i,2}中，所述机械臂关节经历至少三次旋转，符合下式关系，

其中，β′

S230、坐标系{i,1}及{i,2}是一致时，得到下式关系，

然后得到下式关系，

其中，sinβ

当β

对于所述步骤S300的进一步的实施方式

参照图6至10，通过下使计算剩余两根驱动绳的驱动量，

其中，f

上述的方案对于超冗余分段联动臂同样适用。

应当认识到，本发明实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码 (例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还可以包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。