連續型機器人的光纖形狀估測反饋控制方法
2024-03-05 17:47:15 1
專利名稱：連續型機器人的光纖形狀估測反饋控制方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人控制方法類，更具體地說，它涉及一種連續型機器人的位置閉環控制方法。
背景技術：
連續型機器人由單段或多段彈性體聯接構成，依靠彈性體連續彎曲變形產生運動，類似於象鼻、章魚觸角和哺乳類動物的舌頭等生物器官。該類機器人採用性能類似於肌肉性靜水骨骼的「無脊椎」柔性結構，利用彈性變形使柔性本體彎曲成光滑連續曲線而產生運動。與採用離散的單自由度旋轉關節或直線關節、剛性連杆構成的傳統工業機器人不同，連續型機器人能柔順彎曲而靈活改變自身形狀，實現環境中多障礙物的避讓和形狀各異物體的柔順抓取，能夠實現如核電站冷卻管道維修，地震現場人員搜救等空間狹窄和多障礙物環境下的作業，而傳統的工業機器人均難以完成這些任務。現有的連續型機器人如文獻「線驅動連續型機器人的運動學分析與仿真」(胡海燕，鵬飛，孫立寧，趙勃，李滿天.《機械工程學報》，2010，46 (19)，pp.1 8.)報導的連續型機器人採用開環控制，位置控制精度有限。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述的不足，提供一種連續型機器人的一種形狀反饋控制方法。連續型機器人的一種形狀反饋控制方法，用於由η個連續型關節串聯構成的連續型機器人的運動控制，η為正整數，η = I，2...，連續型機器人的運動控制器給關節執行器發出動作指令，關節執行器收到動作指令後，帶動關節產生彎曲，同時由安裝在關節上的形狀傳感器實時檢測所述關節的彎曲曲率值，並反饋給所述運動控制器。上述形狀反饋控制方法為運動位置閉環控制。上述運動控制器通過形狀重構算法得到所述關節的實際彎曲值。上述運動控制器計算關節執行器的給定彎曲值和所述關節的實際彎曲值的差值後，實時調整關節執行器給定彎曲量，消除關節執行器的執行誤差，從而構成運動位置閉環控制。上述的形狀傳感器安裝在連續型機器人的關節上的數量為η個，η為正整數，η =1，2...。上述形狀傳感器為分布式光纖曲率傳感器。本發明提出一種基於光纖形狀估測技術的連續型機器人運動控制方法，與現有連續型型機器人運動控制技術相比，本發明具有以下優點:1、本發明提出一種基於光纖形狀傳感器的連續型機器人運動閉環控制方法，有效提高了連續型機器人的運動精度；2、本發明提出的連續型機器人形狀估測方法中所使用的光纖曲率傳感器，具有體積小、重量輕、靈敏度高等特點，能有效滿足連續型機器人形狀估測需要。
圖1為本發明實施例的示意圖。圖2為2自由度連續型機器人的運動控制示意圖。圖3為分布式光纖曲率傳感器結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作更詳盡的說明。圖2為一個單關節連續型機器人示例，圖中圓柱體為單關節連續型機器人，圓柱體上的矩形白框為粘貼的光纖曲率傳感器，該機器人的關節為一段圓柱形彈性體，該關節能夠作2自由度的彎曲運動。在關節表面沿軸線粘貼η個光纖曲率傳感器構成分布式光纖曲率傳感器，能夠檢測整個關節多個粘貼點的曲率，運動控制器由關節多個粘貼點的曲率，根據形狀重構算法可以重構關節的彎曲形狀。圖3為由3個光纖曲率傳感器構成的分布式光纖曲率傳感器，用於對關節彎曲形狀的估測。這裡只是為了說明光纖曲率傳感器的處理，實際系統中，為確保形狀估測精度，可以採用多個光纖曲率傳感器。光源系統100的輸出光進入3個光纖曲率傳感器200，由光纖曲率傳感器200的返回光進入信號處理系統300，解調出彎曲曲率信號。圖1為對由多個連續型關節串聯構成的連續型機器人進行運動控制的方法框圖，給定連續型機器人的運動目標位置，連續型機器人的運動控制器給各個關節執行器發出動作指令，關節執行器依據動作指令帶動關節產生彎曲，在各個關節彎曲過程中，由粘貼在各個關節上的光纖曲率傳感器實時檢測關節上的各粘貼點處的曲率，並反饋給運動控制器，運動控制器通過形狀重構算法得到所述關節的實際彎曲值，運動控制器計算所述關節執行器的給定彎曲值與所述關節的實際彎曲值的差值後，實時調整所述關節給定彎曲量，逐步消除所述關節的執行誤差，從而構成精確的運動位置閉環控制。顯然，本發明的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發明確定的保護範圍之內。
權利要求
1.連續型機器人的一種形狀反饋控制方法，用於由η個連續型關節串聯構成的連續型機器人的運動控制，η為正整數，η = 1，2...，其特徵在於:連續型機器人的運動控制器(I)給關節執行器(2)發出動作指令，關節執行器(2)收到動作指令後，帶動關節(3)產生彎曲，同時由安裝在關節(3)上的形狀傳感器(4)實時檢測所述關節(3)的彎曲曲率值，並反饋給運動控制器(I)。
2.如權利要求1所述的連續型機器人的形狀反饋控制方法，其特徵在於:形狀反饋控制方法為運動位置閉環控制。
3.如權利要求1所述的連續型機器人的形狀反饋控制方法，其特徵在於:所述運動控制器(I)通過形狀重構算法得到所述關節(3)的實際彎曲值。
4.如權利要求1所述的連續型機器人的形狀反饋控制方法，其特徵在於:所述運動控制器(I)計算關節執行器(2)的給定彎曲值和所述關節(3)的實際彎曲值的差值後，實時調整關節執行器(2)給定彎曲量，消除關節執行器(2)的執行誤差。
5.如權利要求1所述的連續型機器人的形狀反饋控制方法，其特徵在於:所述的形狀傳感器⑷安裝在連續型機器人的關節⑶上，數量為η個，η為正整數，η = 1，2...。
6.如權利要求1所述的連續型機器人的形狀反饋控制方法，其特徵在於:所述形狀傳感器(4)為分布式光纖曲率傳感器。
全文摘要
本發明涉及連續型機器人的控制方法類，更具體地說，它涉及一種連續型機器人的一種形狀反饋控制方法，用於由n個連續型關節串聯構成的連續型機器人的運動控制，n為正整數，n＝1，2…，連續型機器人的運動控制器給關節執行器發出動作指令，關節執行器收到動作指令後，帶動關節產生彎曲，同時由安裝在關節上的形狀傳感器實時檢測所述關節的彎曲曲率值，並反饋給運動控制器，有效提高了連續型機器人的運動精度和實用性。
文檔編號B25J13/08GK103170978SQ20111043106
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者趙江海, 宋小波, 葉曉東, 方穎, 黃 俊, 施翔 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院