一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法及系统、计算机存储介质

1.本发明涉及机器人控制领域，尤其是一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法及系统、计算机存储介质。


背景技术：

2.同轴绳驱机器人是一种连续体机器人，具有体积小、灵活性好、载荷强等优点，可以在受限的三维工作环境中完成复杂的运动，因此在医学机器人领域越来越受欢迎。
3.首先，运动学建模和方法是机器人的关键问题之一。与传统机器人不同，绳驱机器人通常用弹性体作为主题支撑。其中绳索作为驱动装置，绳驱机器人还具有臂杆纤细、构型连续、机电不分离的特点。在该方法中将平面障碍物和机械臂分别通过圆和直线来建模。
4.在建模规划方面世界专家学者也开展了一定相关的研究。在双圆弧规划同轴绳驱机械臂构型时，难以将其法在逆运动学层面利用离散型刚性连杆机械臂逆运动学求解实现了机械臂的构型控制。使用各段圆弧的参数曲率、长度、角度形成构成坐标来表述机械臂的形状。同轴绳驱机器人这是一种强耦合非线性的欠驱动系统，其空间构型非常复杂，通常基于分段等曲率假设展开运动学及轨迹规律研究。在实现同轴绳驱机器人在任务空间的应用，主要基于逆运动学的求解，实现一条曲线通过给定点，且在给定点满足切线要求，那么这样曲线满足演示数据。在最小距离算法中获得障碍物多面体及机械臂多面体之间的距离信息，基于距离信息提出了三种方法(梯度投影法、力障碍物回避方法、速度障碍物回避方法)实现了障碍物回避功能。
5.本位针对同轴绳驱机械臂工作关节根据期望的位置实时变化时，机械臂构型拟合过程中拟合度差的问题，提出了一种双圆弧拟合算法。为拟合度不好的问题，通过调整双圆弧参数，使离散型同轴绳驱机械臂可以更好地拟合连续性双圆弧曲线。
6.另外，区别现有的6或7自由度工业机械臂方法，基于绳索驱动的机器人以通过牵引穿过机械臂的绳索控制机械臂运动。因其在受限的三维空间中具有良好的导航性，因此在医学机器人领域越来越受欢迎。同时绳索在工作时主要用于克服弹性体的弹性力以及绳索运动的摩擦力，因此动力学特性通常被忽略。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法及系统、计算机存储介质，用于解决同轴绳驱机械臂构型规划过程中拟合度较差的问题。
8.本发明所采用的技术方案是：一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法，包括以下步骤；
9.判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；
10.对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；
11.基于所建立的模型，以所述机械臂为中心，将所述范围内的空间划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机器人的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由绳索拉伸和整段位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
12.判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；
13.对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；
14.判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；
15.对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；
16.对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；
17.对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。
18.本发明所采用的另一技术方案是：一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法规划系统，包括
19.拟合单元，用于将同轴绳驱机械臂上所有离散的关节与规划的离散点之间距离定义为一个拟合单元；
20.构型单元，于基于所建立的模型，将同轴绳驱机器人划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机械臂的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由驱动绳索和关节位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
21.切线规划单元，用于判断所述同轴绳驱机械臂末端切线是否满足与同轴绳驱机械臂构型同步调整，是否影响实际末端位置的精度，如果判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂末端总是沿着期望的路径运动；
22.关节判断单元，用于实时检测所述同轴绳驱机械臂的工作关节个数；判断所述同轴绳驱机械臂的工作关节数是否为整数，若判断结果是，判断所述同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；
23.本发明所采用的另一技术方案是：一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：
24.判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；
25.对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；
26.基于所建立的模型，以所述机械臂为中心，将所述范围内的空间划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机器人的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述
三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由绳索拉伸和整段位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
27.判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；
28.对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；
29.判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；
30.对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；
31.对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；
32.对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。
33.本发明的有益效果是：
34.本发明一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合，规划方法及系统、计算机存储介质，基于所建立的模型，同时将机械臂的运动学关系划分为3个空间之间的映射关系，分别为驱动空间、构型空间、任务空间。分别利用结构之间的耦合来进行。判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；同时对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。实时分析同轴绳驱机器人的运动学；提出一种双圆弧拟合算法。
附图说明
35.图1是本发明中一种同轴绳驱机械臂的拟合度示意图；
36.图2是本发明中一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合算法变末端切向示意图；
37.图3a、图3b是本发明中一种同轴绳驱机械臂的方法对比图；
38.图4是本发明中一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合算法变起点示意图；
39.图5是本发明中一种同轴绳驱机械臂的关节数量示意图；
40.图6是本发明中一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合算法变比例系数示意图；
41.图7是本发明中一种同轴绳驱机械臂的流程示意图；
具体实施方式
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.针对同轴绳驱机械臂在难以将其构型较好的拟合到连续特征曲线上，提出一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法，提供了一种同轴绳驱机械臂的拟合算法，包括以下步骤：
44.参考图1，通过将同轴绳驱机械臂上所有离散的关节与规划的连续曲线上相应的离散点之间的距离和参数化；
45.基于所建立的模型，以所述机械臂为中心，将所述周围的空间划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机器人的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由绳索拉伸和整段位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
46.开始对同轴绳驱机械臂构型进行双圆弧拟合规划；
47.参考图2，图2判断同轴绳驱机械臂末端切向变化，对同轴绳驱机械臂实际的末端位置开始分析；判断同轴绳驱机械臂末端在沿期望路径运动时，末端切线是否影响末端位置的精度，在规划同轴绳驱机械臂构型时，末端切线是一个影响的因素。
48.本发明通过对同轴绳驱机械臂的平面双圆弧规划方法，对于所建立的模型，同时将机械臂的运动学关系划分为3个空间之间的映射关系，分别为驱动空间、构型空间、任务空间。分别利用结构之间的耦合来进行来接。判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；同时对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度。
49.作为技术方案的进一步设计，参考图3a、图3b是本发明中一种同轴绳驱机械臂的方法对比图；据图3的方法对比，传统的双圆弧法用于同轴绳驱机械臂构型规划时，同轴绳驱机械臂的实际末端轨迹出现跳跃现象，图3a定义了起始点位置为初始端的原点，如图3a所示同轴绳驱机械臂构型的长度为双圆弧曲线长，在机械臂舍入过程无法很好拟合。据图3b所示，在双圆弧拟合方法中，双圆弧起点位置为初始端非整关节模块的末端，且时刻变化。图4是本发明中一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合算法变起点示意图，当末端位置为p时，外层绳驱机构和内层绳驱机构工作关节数刚好为整数，同轴绳驱机械臂与双圆弧曲线有较高的拟合度。
50.参考图5是本发明中一种同轴绳驱机械臂的关节数量示意图，通过调节各段比例系数来调整同轴绳驱机械臂构型。参考图5在同轴绳驱机械臂中，其工作关节数量与其拟合程度有直接关系。如果工作关节数为偶数，同轴绳驱机械臂的构型与双圆弧曲线可以较好拟合。图6是本发明中一种同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合算法变比例系数示意图，分析得到启发，可以合理设计，在同轴绳驱机械臂运动过程中，内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数。图7是本发明中一种同轴绳驱机械臂的流程示意图。
51.下面具体分析同轴绳驱机械臂双圆弧拟合过程：
52.(1)参考图1，本实施例中，以内部段为例开展拟合分析。拟合度定义为同轴绳驱机
械臂上所有离散的关节与规划的连续曲线上相应的离散点之间的距离和，拟合度如式公式1所示：
[0053][0054]
式中，n
node
是同轴绳驱机械臂工作关节的数量；wi∈(0,1)表示加权系数；di是关节与规划的连续曲线上相应离散点的欧式距离；是最后一个关节与连续曲线终点之间的欧氏距离。拟合度可以从传感器数据计算的正运动学和双圆弧方法规划的曲线测出。
[0055]
在同轴绳驱机械臂末端沿期望路径运动时，其末端切线会影响实际的末端位置精度。对于传统的双圆弧法，由于同轴绳驱机械臂末端切线时固定的，其实际末端轨迹与规划轨迹会产生偏差。参考图2所示，在双圆弧拟合算法过程中，提出通过改变末端点的切线ti来优化拟合。切线的计算公式为
[0056][0057]
式中，pi是所需的末端点。
[0058]
在双圆弧拟合算法中，通过改变p
idir
来改变同轴绳驱机械臂末端切线，当同轴绳驱机械臂沿期望路径运动时，p
idir
会随pi运动，确保了同轴绳驱机械臂总沿期望的路径去运动。
[0059]
(2)参考图3，传统双圆弧方法与双圆弧拟合算法对比。在传统双圆弧法中，双圆弧曲线的末端位置为规划的位置，起点位置为初始端的原点，如图3a所示，同轴绳驱机械臂构型的长度为双圆弧曲线的长度，在同轴绳驱机械臂运动过程中，约束管会对外层绳驱机构产生约束，外层绳驱机构会进一步对内层绳驱机构产生约束。当初始关节没有完全伸出约束管时，将该关节定义为“非整关节”。当初始关节完全伸出约束管时，将该关节定义为“完整关节”。只有少数的位置能满足同轴绳驱机械臂关节为整数。
[0060]
双圆弧法进行逆运动学求解时，如果出现同轴绳驱机械臂工作关节数不是整数的情况，需要对工作关节数n近似取值。求得的每个关节的弯曲角将不准确。舍入过程必然会造成末端位置的差异，同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线无法很好拟合。在双圆弧法求解逆运动时，所求得的每个关节的弯曲角度将是准确的。因此，同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能很好的拟合。
[0061]
参考图4所示，双圆弧拟合算法变起点的原理如下：
[0062]
外层绳驱机构和内层绳驱机构工作关节数都刚好为整数，此时，同轴绳驱机械臂与双圆弧曲线有较高的拟合度。当机械臂末端从p运动到p
′
的过程中，同轴绳驱机械臂工作关节数将不再是整数，如图4a所示。因此需要调整双圆弧曲线的起始点的位置，使与双圆弧曲线拟合的同轴绳驱机械臂工作关节数依旧是整数。
[0063]
当末端位置从p运动到p
′
时，双圆弧曲线的起点从o
s1
移动到o
s2
，其中o
s1
为原点，o
s2
为非整关节的末端，也就是双圆弧曲线新的起点。当同轴绳驱机械臂末端位置到达p
′
点时，直线部分的关节全部伸出。当末端位置从p
′
继续向前运动时，双圆弧曲线起点从回到o
s1
，同轴绳驱机械臂从构型1快速变到构型2，
[0064]
参考图4所示，在改变双圆弧起始点位置后，绳索长度为
[0065][0066]
在传统双圆弧法中，同轴绳驱机械臂拟合的双圆弧曲线弧长，只有少数点可以满足同轴绳驱机械臂工作关节数为整数。在双圆弧拟合算法中，双圆弧曲线弧长基本保持不变，它对应的各段对应关节数也基本保持不变，始终为整数，如图4所示，此时同轴绳驱机械臂与双圆弧曲线拟合较好，避免了实际末端轨迹位置出现跳跃现象。
[0067]
(3)参考图5，本实施例中，同轴绳驱机械臂工作关节数量通过改变双圆弧起点位置解决，但在实际测量时，部分曲线跳跃现象依然存在。在部分双圆弧方法中θo＝k(2α-w/2)。为了调整同轴绳驱机械臂的构型，可以通过调节比例系数k来改变双圆弧各圆弧段的比例。在双圆弧拟合算法中，初始设定的k的数值为1，双圆弧曲线的内外部段长度相等。
[0068]
在双圆弧曲线跟同轴绳驱机械臂拟合过程中，工作关节数的奇偶数变化产生了跳跃现象。只有同轴绳驱机械臂工作关节数为偶数时，才能很好的与双圆弧曲线拟合。参考图5所示，当工作关节数由偶数变为奇数时，双圆弧曲线的比例系数应相应变化，以保证内外绳驱机构的工作关节数为整数。当双圆弧曲线对应工作关节数从偶数块变为奇数块时，为了保证外部圆弧段和内部圆弧段所拟合的关节依然为整数块，双圆弧曲线的内外圆弧段的比例不再满足1：1，参考图5。因此需要调节比例系数k来改变外部圆弧弧段和内部圆弧段比例k
oi
，满足工作关节数奇偶变化的情况。
[0069]
双圆弧拟合算法比例系数原理，在同轴绳驱机械臂工作初期如图6所示，即工作关节数不大于2时，机械臂不发生弯曲；当双圆弧曲线满足2个关节时，机械臂发生弯曲，此时k＝1，k
oi
＝1。当双圆曲线满足3个关节时，如图6所示，需要调节比例系数k,使得k
oi
＝1/2，当双圆弧曲线满足4个工作关节时，如图6所示，需要在调节比例系数k，使得k
oi
＝1。在所述同轴绳驱机械臂运动中，可以通过调节两端机械臂的比例k
oi
，使末端运动轨迹为平滑的曲线。因此在调节同轴绳驱机械臂比例系数时，需要满足上述变化。
[0070]
当双圆弧曲线所对应的工作关节数为偶数时，其比例系数为k＝1，外层绳驱机构和内层绳驱机构的工作关节数相等。当工作关节数为奇数时，随着同轴绳驱机械臂末端位置的变化，比例系数k会跟随变化。
[0071]
可得出比例系数
[0072]
k＝(5.8n-1)/(5.8n+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0073]
当工作关节数从偶数块变道奇数块时，内层绳驱机构工作关节数增加1，外层绳驱机构工作关节数不变；相反当工作关节数再从奇数块变道偶数块时，内层绳驱机构工作关节数不变，外层绳驱机构工作关节数加1。因此在所述同轴绳驱机械臂运动中，内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数。
[0074]
如图7所示，由此分析得到启发，可以合理设计结构的尺寸，这样既可以为同轴绳驱机械臂的控制提供决策。既可以规划同轴绳驱机械臂的运动，又可以满足实现同轴绳驱机械臂力感知和力控制。
[0075]
基于上述方法，本发明还提供一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法规划系统，包括：
[0076]
拟合单元，用于将同轴绳驱机械臂上所有离散的关节与规划的离散点之间距离定义为一个拟合单元；
[0077]
构型单元，于基于所建立的模型，将同轴绳驱机器人划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机械臂的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由驱动绳索和关节位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
[0078]
切线规划单元，用于判断所述同轴绳驱机械臂末端切线是否满足与同轴绳驱机械臂构型同步调整，是否影响实际末端位置的精度，如果判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂末端总是沿着期望的路径运动；
[0079]
关节判断单元，用于实时检测所述同轴绳驱机械臂的工作关节个数；判断所述同轴绳驱机械臂的工作关节数是否为整数，若判断结果是，判断所述同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；
[0080]
基于上述方法，本发明还提供一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0081]
判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；
[0082]
对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；
[0083]
基于所建立的模型，以所述机械臂为中心，将所述范围内的空间划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机器人的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由绳索拉伸和整段位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；
[0084]
判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；
[0085]
对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；
[0086]
判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；
[0087]
对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；
[0088]
对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；
[0089]
对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。
[0090]
计算机存储介质上存储的计算机程序的工作过程可参照上述一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法的具体描述，不再赘述。
[0091]
本发明中，一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合规划方法及系统、计算机存储介质，基于所建立的模型，同时将机械臂的运动学关系划分为3个空间之间的映射关系，分别为驱动空间、构型空间、任务空间。分别利用结构之间的耦合来进行。判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同
轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；同时对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。实时分析同轴绳驱机器人的运动学；提出一种双圆弧拟合算法。
[0092]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法；对所设计的同轴绳驱机械臂，通过改变末端点的切线，可以使同轴绳驱机械臂构型与末端切线变化同步调整；对所设计的同轴绳驱机械臂，通过改变需拟合的双圆弧起点，可以使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；对所设计的同轴绳驱机械臂，通过调节双圆弧各圆弧段比例系数，可以调整同轴绳驱机械臂构型。2.根据权利要求1所述的同轴绳驱机械臂双圆弧拟合方法，其变末端切线在于：通过改变同轴绳驱机械臂末端点的位置来调整末端切线，通过调整末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步，可以确保同轴绳驱机械臂末端总是沿着期望路径运动。3.根据权利要求1所述的同轴绳驱机械臂的变起点位置，其特征在于，在双圆弧曲线拟合中，通过调整同轴绳驱机械臂工作关节数为整数，使同轴绳驱机械臂的实际末端位置与规划末端位置重合，提出基于双圆弧曲线的同轴绳驱机械臂拟合算法。4.根据权利要求1所述的同轴绳驱机械臂的变比例系数，其特征在于，通过调节同轴绳驱机械臂各圆弧段比例系数，进而调整同轴绳驱机械臂的构型，判断所述同轴绳驱机械臂所对应的外部圆弧段和内部圆弧段比例是否满足工作关节数奇偶变化，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合偏差较小。5.根据权利要求1至4任一项所述的同轴绳驱机械臂双圆弧曲线拟合方法，其特征在于，同轴绳驱机械臂在构型规划时的求解，实际的离散型同轴绳驱机械臂与规划的连续性双圆弧曲线拟合度较差求解。6.一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法规划系统，特征在于，包括，拟合单元，用于将同轴绳驱机械臂上所有离散的关节与规划的离散点之间距离定义为一个拟合单元；构型单元，于基于所建立的模型，将同轴绳驱机器人划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机械臂的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由驱动绳索和关节位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；切线规划单元，用于判断所述同轴绳驱机械臂末端切线是否满足与同轴绳驱机械臂构型同步调整，是否影响实际末端位置的精度，如果判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂末端总是沿着期望的路径运动；关节判断单元，用于实时检测所述同轴绳驱机械臂的工作关节个数；判断所述同轴绳驱机械臂的工作关节数是否为整数，若判断结果是，判断所述同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合。7.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：判断同轴绳驱机械臂跟踪过程中末端切线的实际路径与规划路径是否有偏差，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂的末端切线影响实际末端位置精度；对末端点的切线调整，使同轴绳驱机械臂末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整；
基于所建立的模型，以所述机械臂为中心，将所述范围内的空间划分为驱动空间、构型空间和任务空间，所述同轴绳驱机器人的运动学关系通过空间之间的映射关系，所述三个空间的耦合关系分别为：驱动空间由绳索拉伸和整段位移构成、构型空间由关节转动与弧长收缩构成、任务空间由末端位置与末端指向构成，两两耦合而成；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节数是否为整数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂构型与双圆弧曲线能够很好的拟合；对起始点位置调整，使同轴绳驱机械臂实际末端位置与规划末端位置重合；判断同轴绳驱机械臂拟合过程中工作关节书是否为偶数，若判断结果为是，判断所述同轴绳驱机械臂比例系数按一定规律变化且可以很好拟合；对比例系数调整，使同轴绳驱机械臂内层绳驱机构工作关节数始终大于或等于外层绳驱机构工作关节数；对所述同轴绳驱机械臂双圆弧拟合算法进行规划计算，处理末端实际规划和规划轨迹偏差大且有跳跃现象；对所述同轴绳驱机械臂圆弧拟合规划处理，确定构型规划时离散型同轴绳驱机械臂与连续型双圆弧曲线拟合度，提高机械臂控制精度。

技术总结
本发明提出了一种用于同轴绳驱机械臂的双圆弧拟合方法及系统、计算机存储介质。该方法通过优化末端切线，可以实现末端切线变化与同轴绳驱机械臂构型同步调整。通过改变双圆弧起点的位置，可以实现同轴绳驱机械臂工作关节数为整数。通过改变同轴绳驱机械臂比例系数，可以调整双圆弧各弧段的比例和同轴绳驱机械臂构型。结果表明，该方法能够解决末端实际轨迹和规划轨迹偏差大且有跳跃现象的问题，提高了同轴绳驱机械臂控制的精度且双圆弧拟合算法规划与实际偏差较小。因此该方法在实时控制上具有明显的优势。上具有明显的优势。上具有明显的优势。


技术研发人员：牟宗高 吕浩 唐阳璞 张辉 邱俊烨 李璐帆 贾利慧 高名旺
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31