[发明专利]一种多线驱连续体机械臂驱动线耦合关系的统一解耦方法

说明书

本发明提供了一种多线驱连续体机械臂驱动线耦合关系的统一解耦方法，它解决了现有技术中三线驱及三线驱以上连续体机械臂驱动线长度间耦合关系的求解还没有统一的解决方案的问题；通过分析驱动线长度间耦合关系，给出n线驱连续体机械臂驱动线长度耦合关系求解的统一解决方案。其技术方案为：基于分段常曲率假设，通过建立机械臂关节的几何模型推出多线驱连续体机械臂驱动线长度与机械臂弯曲方向和弯曲角度间的解析关系；利用代数法分析驱动线间的耦合关系，并引入比较因子，给出n线驱连续体机械臂驱动线长度耦合关系求解的统一解决方案；得出只需非中心对称的两根驱动线长度即可唯一确定机械臂弯曲方向和弯曲角度。

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，尤其涉及一种多线驱连续体机械臂驱动线耦合关系的统一解耦方法。

背景技术

微创手术、单孔手术和自然孔口手术因其可以减少患者创伤和出血量，缩短住院时间，术后恢复快等优点受到广泛应用，这类手术通常是在体内相对密闭的空间中来完成夹持、剪切、消融等任务。传统离散机械臂由于缺乏足够数量的自由度而无法适用于狭窄拥挤的体内环境，由此推动部分学者们开始研究多冗余自由度、高灵活性和安全性的柔性机械臂。柔性机械臂一般可分为两种：软体与连续体。软体机械臂大多是利用仿生技术，从行为或功能上模仿自然界中的生物，如章鱼触手、大象鼻子、尺蠖等,一般多由硅胶、橡胶等弹性材料制成，其理论上具有无限自由度。连续体机械臂通常是将若个相同或相似单元两两串联，或者是在管状材质侧壁切割出切槽，与软体机械臂相比，其具有有限个自由度，但承受负载能力、可操纵性优于软体机械臂。

连续体机械臂驱动方式大多采用线驱动方式，具有结构紧凑，布局灵活，能够实现狭小空间下的长距离精准运动等优点。根据驱动线数目，连续体机械臂可以分为三线驱连续体机械臂和多线驱连续体机械臂。驱动连续体机械臂实现空间运动仅需要三根驱动线，但冗余的驱动线能够改善连续体机械臂刚度不足的问题，这使得研究多线驱连续体机械臂驱动线间耦合关系变得很有必要。

发明人发现，传统针对三线驱或四线驱连续体机械臂的驱动线解耦方法通常是基于所有驱动线长度已知条件下的，这种解耦方法具有不易实现性；除此之外，传统基于部分驱动线长度的解耦方法所得解具有不唯一性；对于三线驱及三线驱以上连续体机械臂驱动线长度间耦合关系的求解，目前还没有统一的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多线驱连续体机械臂驱动线耦合关系的统一解耦方法，通过分析驱动线长度间耦合关系，给出n线驱连续体机械臂驱动线长度耦合关系求解的统一解决方案，得到了仅需要知道非中心对称的两根驱动线长度即可唯一确定n线驱连续体机械臂弯曲方向和弯曲角度的结论，简化了驱动线长度间耦合关系间的求解过程。

本发明采用下述技术方案：

一种多线驱连续体机械臂驱动线耦合关系的统一解耦方法，基于分段常曲率假设，通过建立机械臂关节的几何模型推出多线驱连续体机械臂驱动线长度与机械臂弯曲方向和弯曲角度间的解析关系；

利用代数法分析驱动线间的耦合关系，并引入比较因子，给出n线驱连续体机械臂驱动线长度耦合关系求解的统一解决方案；得出只需非中心对称的两根驱动线长度即可唯一确定机械臂弯曲方向和弯曲角度。

进一步的，机械臂弯曲角度Θ表示为：

其中，N表示关节个数，θ表示关节偏转角度；

上式中，m＝2h²(1+cosω)+d²(sinω)²，

其中，h表示关节无偏转时两个单元之间的驱动线长度，d表示驱动线所在圆周直径，表示驱动线的长度，ω表示两根驱动线的夹角，C为常数。