一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的制作方法

本技术涉及连续体机器人精密控制的，公开了一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统。

背景技术：

1、多段连续体机器人通常采用柔性盘连接近端段与远端段，驱动远端段的腱索须贯穿近端段及柔性盘，然而在应用中还存在诸多不足之处，包括：柔性耦合盘在末端受外力或自重时产生弹性变形，导致贯穿其间的驱动腱等效路径长度发生附加变化，这种力致变形引发的耦合位移偏离了刚体运动学可描述的几何关系，无法准确补偿；驱动腱在近端段导管内滑动时所受摩擦力随磨损、润滑状态等因素缓慢变化，形成时变摩擦力扰动，采用固定参数的前馈模型难以在设备全生命周期内保持补偿精度，导致末端控制精度持续劣化。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本技术的范围。

2、为解决上述技术问题，本技术提供一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统。

3、一方面，本技术提供一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统，包括连续体机构包括近端段、远端段以及连接二者的柔性耦合盘，所述柔性耦合盘实时感测耦合盘多个离散位置的局部应变；

4、多根驱动腱贯穿所述近端段与所述柔性耦合盘并连接至所述远端段；

5、位姿传感器检测所述近端段与所述远端段的实际弯曲形态；

6、腱张力传感器检测各驱动腱位于近端段根部的实时张力；

7、驱控单元与各传感器及驱动源连接，通过实时获取的多个离散位置的局部应变以及影响系数，解算因柔性耦合盘弹性变形引起的各驱动腱路径补偿量，生成第一前馈指令；

8、通过各驱动腱的所述实时张力与各驱动腱远端侧张力之间的差值，实时估计驱动腱在贯穿路径上所受到的时变摩擦力扰动，生成第二前馈指令；

9、将所述第一前馈指令与所述第二前馈指令叠加至各驱动腱的名义驱动指令，以同步补偿弹性变形耦合与时变摩擦扰动。

10、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

11、所述柔性耦合盘上集成有应变传感单元,通过应变传感单元实时感测耦合盘多个离散位置的局部应变;

12、所述应变传感单元包括多个应变敏感元件，各所述应变敏感元件分别固装于所述柔性耦合盘上预设的多个离散位置，每个所述离散位置对应所述柔性耦合盘表面或内部的一个空间坐标点；所述局部应变为各所述应变敏感元件在其所在离散位置处沿指定测量方向感测到的材料线应变；所述驱控单元同步接收各所述应变敏感元件输出的局部应变信号，以获得所述多个离散位置的局部应变。

13、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

14、所述多根驱动腱沿所述近端段的周向分布，各驱动腱以滑动配合贯穿所述近端段的腱导管，并穿过所述柔性耦合盘上对应开设的过孔后，固定连接至所述远端段的末端；

15、所述位姿传感器嵌于所述近端段和所述远端段内部，沿各段的长度方向连续或准连续分布，用以检测各段在弯曲平面内的弯曲角及弯曲方向；

16、所述腱张力传感器安装于各驱动腱位于所述近端段根部的一端，用于测量驱动腱输入端的实时张力值。

17、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

18、所述影响系数用于表示所述应变场与贯穿其间的各驱动腱等效路径长度变化之间的映射关系；

19、所述应变传感单元包括多个应变敏感元件，各所述应变敏感元件分别固装于所述柔性耦合盘上预设的多个离散测量点位，每个所述离散测量点位对应所述柔性耦合盘表面的空间坐标；

20、所述驱控单元与各所述应变敏感元件电连接，采集各所述离散测量点位处的局部应变信号，实时获取所述多个离散位置的局部应变。

21、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

22、通过离线标定过程确定所述映射系数并存储于所述驱控单元中的；

23、所述离线标定过程包括：对所述柔性耦合盘依次施加多个已知方向和大小的独立外载荷，同步记录各所述离散位置处的局部应变测量值以及各驱动腱等效路径的实际变化量，基于弹性体小变形条件下的线性叠加关系，求解出各离散位置的局部应变与各驱动腱等效路径长度变化之间的映射系数。

24、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：所述驱控单元在实时运行中，将所述多个离散位置的局部应变各自乘以对应的所述映射系数后进行线性叠加，得到各驱动腱因所述柔性耦合盘弹性变形而产生的等效路径长度变化量；

25、所述驱控单元将所述等效路径长度变化量转换为对应驱动腱的附加位移量，并将附加位移量作为所述第一前馈指令，叠加至各驱动腱的名义位移指令中。

26、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

27、通过所述实际弯曲形态及力平衡关系确定所述驱动腱远端侧张力；

28、所述驱控单元根据所述位姿传感器检测到的远端段实际弯曲形态，结合各驱动腱在所述远端段上的固定位置及所述远端段的力平衡关系，建立力矩平衡方程，求解得到各驱动腱在远端段连接点处的远端侧张力；

29、所述差值为各驱动腱的所述实时张力减去对应的所述远端侧张力所得到的力差值。

30、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

31、所述扰动观测器内置于所述驱控单元中，其以各驱动腱的所述力差值为输入，通过模拟驱动腱在导管内滑动摩擦特性的前向传递模型，对所述力差值进行低通滤波和增益调节，实时输出表征各驱动腱所受摩擦力扰动的估计值；

32、通过驱动腱与导管的材料摩擦特性整定所述前向传递模型的参数。

33、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：

34、所述驱控单元将各驱动腱对应的所述摩擦力扰动估计值，按照预设的驱动腱刚度系数转换为等效附加位移量，并将所述等效附加位移量作为所述第二前馈指令，叠加至各驱动腱的名义位移指令中。

35、作为本技术一种基于数据驱动的连续体耦合机构与驱控系统的一种优选方案，其中：所述驱控单元包括一指令合成模块，所述指令合成模块接收各驱动腱的所述名义驱动指令、所述第一前馈指令以及所述第二前馈指令；

36、所述指令合成模块以各驱动腱为索引，将同一驱动腱对应的所述第一前馈指令所表征的附加位移量与所述第二前馈指令所表征的附加位移量，同时叠加至该驱动腱的所述名义驱动指令上，得到经同步补偿后的驱动指令，并将驱动指令输出至对应的驱动源，以驱动各驱动腱运动。

37、本技术的有益效果如下：

38、本技术通过在柔性耦合盘上集成应变传感单元以实时获取多个离散位置的局部应变，并通过映射系数将局部应变直接转换为各驱动腱的路径补偿量，补偿了力致弹性变形引发的耦合位移，解决了传统刚体解耦无法处理的柔性变形补偿的问题。

39、本技术通过构造以各驱动腱近端张力与远端侧张力之差为输入的扰动观测器，实现对时变摩擦力扰动的实时估计并转换为第二前馈指令，使系统在摩擦特性缓变条件下无需重新标定即可保持补偿精度。

40、本技术通过将第一前馈指令与第二前馈指令同步叠加至各驱动腱的名义驱动指令，弹性变形补偿与摩擦扰动补偿在同一控制周期内并行注入，实现对两类不同物理成因误差的协同实时补偿，提升了连续体机构的末端定位精度和长期运行稳定性。