[发明专利]弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法

权利要求书

1.弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于，基于弹性平面的约束条件，通过构建的机器人模型求解末端点的力学信息，根据力学信息对弹性平面环境下的细长软体机器人进行驱动控制，具体包括以下步骤：

构建细长软体机器人模型并进行非线性静力学分析；

对细长软体机器人模型进行空域离散，添加几何空间边界条件约束、定长条件约束和弹性平面约束；

通过自适应搜索弹性约束条件的优化算法，对细长软体机器人模型进行求解，得到细长软体机器人各离散点的几何空间坐标及力学信息；

根据求解结果得到的机器人末端离散点的力学信息，对机器人进行控制。

2.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于：所述的细长软体机器人模型为表示细长软体机器人静力平衡、静力矩平衡及欧拉参数方程。

3.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于，所述对细长软体机器人模型进行空域离散具体如下：

采用有限差分方法，以均布节点作为离散点，对模型进行空域离散，得到总长为L的细长软体机器人n等分后的n+1个离散点，所述离散点在细长软体机器人几何中心线上。

4.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于：所述弹性平面约束为：

接触力F_T在世界坐标系下的映射表示为：k为弹性约束平面的弹性系数；摩擦力分布力为f_f＝μF_N；

其中，A、B、C、D分别为弹性约束平面方程的常数，弹性平面的法向量为n₁＝(A,B,C)，机器人离散点坐标为(ξ,η,ζ)，摩擦力所在直线为接触力F_T与重力G所成平面与初始平面的交线；交线方向向量s为两平面的法向量的向量积：s＝n₁×n₂，且n₂＝n₁×G；接触支持力F_N为接触力F_T与重力G合力在n₁方向的映射：分布力合力为f＝F_T+G+f_f。

5.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于：几何空间边界条件约束包括细长软体机器人的首末离散点的欧拉参数及末端离散点几何空间坐标。

6.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于，所述定长条件约束为：

其中，h₈表示细长软体机器人长度恒定不变，ξ_j，η_j，ζ_j表示细长软体机器人离散点j在世界坐标系下的坐标，通过插值求积对细长软体机器人切线矢量积分得到。

7.根据权利要求1所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于，所述通过自适应搜索弹性约束条件的优化算法，对细长软体机器人模型进行求解，包括以下步骤：

1)首先假设弹性平面约束不存在，利用最小二乘算法对h_i进行求解，其中i＝1…8，求解得到机器人所有离散点的坐标；

然后判断条件Aξ+Bη+Cζ+D＜0是否成立；成立则找到满足条件的所有离散点的所在序号，并记录为向量a；

2)然后对受弹性约束的离散点添加约束力F_T，回代到细长软体机器人模型中的h_j，其中j＝1...3；

3)利用最小二乘算法对h_i进行求解，其中i＝1…8，求解得到机器人所有离散点的坐标，判断条件Aξ+Bη+Cζ+D＜0是否成立；成立则找到满足条件的所有离散点的所在序号，并记录为向量b；

比较前后两次的向量a和向量b信息；当两次节点序列号一致时，即b＝a，结束计算，求解完毕，反之，将向量b赋值给向量a，返回步骤2)。

8.根据权利要求1或7所述的弹性平面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，其特征在于，将求解得到的欧拉参数q₁、q₂、q₃、q₄用于计算细长软体机器人的空间几何坐标，拟合曲线得到细长软体机器人的空间几何形态；将求解得到的细长软体机器人各离散点内力值F_i，其中i＝x,y,z，合内力值用于分析弹性平面约束对细长软体机器人结构稳定性的影响，F_x、F_y、F_z分别表示F在主轴坐标系下x、y、z轴方向上的内力分力。