[发明专利]弹性光滑曲面约束的细长软体机器人的建模与控制方法

说明书

本发明涉及弹性光滑曲面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，将细长软体机器人的横截面简化成圆截面，细长软体机器人的整体结构简化成Kirchhoff弹性细杆，对简化的细长软体机器人模型进行非线性静力学分析；采用有限差分方法对模型进行空域离散，添加几何空间边界条件约束、定长条件约束和弹性光滑曲面约束；基于信赖域方法与Armijio搜索策略结合的非线性最小二乘算法，提出一种自适应搜索弹性约束条件的优化算法，对数学模型进行求解，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。根据求解结果验证了本发明的正确性和合理性，为细长软体机器人的建模理论提供了重要支持。

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，是一种弹性光滑曲面约束的细长软体机器人的建模与控制方法。

技术背景

由于细长软体机器人在多物理环境下相互耦合作用，由于弹性光滑曲面约束对细长软体机器人空间几何形态干扰大，对机器人的控制产生非线性影响，鲁棒性弱，导致对机器人无法进行精确控制，目前的对于细长软体机器人的理论建模方法并未考虑弹性光滑曲面约束的影响，以至于建模方法理论研究空白不能准确描述细长软体机器人的空间几何形态及力学信息，导致无法实现精确控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种弹性光滑曲面约束的细长软体机器人的建模方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：弹性光滑曲面约束的细长软体机器人的建模与控制方法，包括以下步骤：

将细长软体机器人的横截面简化成圆截面、整体结构简化成Kirchhoff弹性细杆，构建细长软体机器人模型并进行非线性静力学分析；

采用有限差分方法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光滑曲面约束；

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。

所述的细长软体机器人模型为：

根据线弹性本构关系，得到所述的细长软体机器人截面作用力主矩：

其中，h_j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，j＝1…7；参数q₁、q₂、q₃、q₄为细长软体机器人圆截面的欧拉参数，E、G为均匀各向同性的细长软体机器人的杨氏模量和剪切模量；I_x、I_y横截面相对主轴坐标系x轴、y轴的惯性矩，I_z为横截面相对主轴坐标系z轴的极惯性矩：a为圆截面的半径；F_i为细长软体机器人内力在横截面主轴坐标系下的映射；M_i为细长软体机器人内力矩在横截面主轴坐标系下的映射；ω_i表示弯扭度；f_i为细长软体机器人所受分布合力在横截面主轴坐标系下的映射，包括弹性接触力F_T、重力分布力G，其中i＝x,y,z。

所述采用有限差分方法对细长软体机器人模型进行空域离散具体如下：