一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法。本发明专利技术通过对混联登乘系统的结构分析，并进行分解，分别建立六自由度并联平台和三自由度串联舷梯运动学模型，通过雅克比矩阵伪逆法对两个子系统进行运动量分配，结合当前任务情况和子系统的约束情况，采用梯度投影法优化系统的运动量，避免系统的奇异位形出现。该方法有效解决混联机构自由度冗余的运动学多解问题，同时综合考虑关节限位、机构奇异位形等因素，极大限度地优化了混联机构的空间运动分配，为混联登乘系统控制提供输入参数，满足实际工作情况下的运维需要。

A Kinematic Planning Method for Hybrid Boarding Mechanism Based on Active Wave Compensation

【技术实现步骤摘要】
一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法
本专利技术提供一种混联登乘机构运动规划方法，特别是一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法，是一种基于多任务运动规划的主动海浪补偿分析方法，海洋工程

技术介绍
传统能源高污染高排放对环境造成不可逆转的伤害，这一严峻现状使人们更加关注清洁能源、绿色能源的发展和使用。海洋资源蕴藏丰富，不但包含大量传统能源诸如石油天然气，还包含丰富的可再生能源。风力发电是目前可再生能源开发中技术最成熟、最具开发条件且最有发展前景的领域之一。然而，在海洋风力资源大力发展的同时也存在许多问题。海上风电场的环境条件比起陆地来说更加艰巨，同时由于海上潮汐、台风、气流和闪电等多种环境因素的影响，海上风电机组经常出现故障，需要风电运维船将维修人员安全平稳地运送到风机平台以进行日常的维修和维护。但海上风场风浪较大，风电运维船受到风浪的影响很难保持船体平稳，以及运送过程中维修人员的安全，因此需要稳定的登乘系统进行辅助工作。目前基于混联机构的主动海浪补偿研究在国外已经比较成熟，但并不完全适用于国内状况。针对混联机构的运动学分析是主动海浪补偿系统的重点研究内容，运动学求解分为运动学正解和运动学逆解，其中求解运动学正解目前主要有数值法和封闭法。高建设等以能耗最小姿态为最优姿态，基于矢量法求解了串并混联腿的运动学正逆解。韩方元等提出了一种求解3-PRS并联机构正解的快速数值解法，使得计算速度比普通算法快1.5倍。Sung以正运动学方程为约束条件，用优化理论来求最优解，但实时应用还有待在优化理论和软硬件实现方面做进一步探讨。Joey用遗传算法来完成轨迹规划，但这种迭代变量(样本)随机产生的迭代方法的收敛性无法保证。Wolovich提出了基于运动学正解的动态方法来求非冗余度机器人的运动学逆解，但对计算机的配置要求较高而难以实现。刘晶晶等设计了一种串并混联7-DOF仿人机械臂，并通过对并联机构进行运动学分析和D-H建模，建立了仿人机械臂正运动学的数学模型。基于运动学逆解研究运动规划，主要有雅克比矩阵广义逆解法、投影梯度法和扩展空间法等。蒋俊香提出了新一代串并联机床LINKS-EXE700，并对其逆运动学作了详细介绍，先利用姿态矩阵求解串联部分运动学逆解，然后利用杆长不变建立约束方程，求解并联部分运动学逆解。纪校娟对Tripod机构进行了运动学分析，采用简洁的数值搜索方法进行求解，省去了方程求解的繁琐过程。由于混联冗余机器人的运动学解不唯一，在求解过程中还需进一步运动规划。毕树生等提出了一种新颖的用于微动操作的串并联机构，利用矢量运算的方法对混联机构进行了正逆运动学求解，但此种方法计算速度较慢，不能保证获得全部解，且最终的结果与初值选取有关。本文借鉴其他方法的研究经验，以具有运动学冗余特性的混联机构为研究对象，提出一种基于多任务加权最小范数解的运动学分析方法，从逆运动学的角度对各关节合理分配运动量，同时考虑到运动中的约束问题，解决混联机构整体运动学高效合理求解问题，为登乘系统提供实时控制输入量。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法，该方法基于多任务运动规划，在合理解决混联机构冗余问题的同时最大限度优化了空间运动分配。利用串联舷梯和并联平台在运动轨迹之间的协同作用，实现对海浪的主动补偿，为主动海浪补偿系统提供重要控制参数。本专利技术提供一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法，混联登乘机构包括一个六自由度并联机构和三自由度串联舷梯，其中六自由度并联机构由六个液压缸、上平台和基座组成；三自由度串联舷梯由回转机构、俯仰机构和伸缩机构组成，三自由度串联机构与六自由度并联机构之间通过铰支座组成，基座将混联登乘机构固定在运维船甲板上；六自由度并联机构由六台铰支座与六台伺服油缸构成，六自由度并联机构主要执行机构为六台伺服油缸，六台伺服油缸以对称的空间几何结构支撑着上平台，油缸两端通过十字轴承、铰支座与上平台和基座固联；六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，上铰支座与上平台下表面固连，伺服油缸缸底与下铰支座铰接，下铰支座与基座上表面固连，基座通过地脚螺栓与甲板固连，为运动补偿提供安全可靠的支撑。三自由度串联机构自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥；回转机构补偿廊桥航向角度上的偏差；俯仰机构补偿廊桥俯仰角度的偏差；伸缩功能的廊桥补偿空间位移上的偏差；回转机构与上平台连接关节为转动关节，回转机构与俯仰机构连接关节为摆动关节，俯仰机构与伸缩功能的廊桥连接关节为伸缩关节，包括以下步骤：步骤1：建立混联登乘机构坐标系：在并联机构上平台和基座上分别建立坐标系，基座上的坐标系为基坐标系，基坐标系xbybzb的原点B位于基座下平台中心且固定不动，以基坐标系为参考，运动坐标系xayaza的原点A也位于上平台的中心位置；当上平台处于中位时，整个并联平台也处于中位，za轴和zb轴位于同一条直线上，其中，Bi(i＝1,2,…,6)表示下平台(静平台)铰点，Ai(i＝1,2,…,6)表示上平台铰点；在三自由度串联舷梯的转动关节、摆动关节和伸缩关节处分别建立转动关节坐标系O-x0y0z0、摆动关节坐标系O1-x1y1z1和伸缩关节坐标系O2-x2y2z2，在廊桥末端建立坐标系O3-x3y3z3；三自由度串联舷梯的转动关节与并联机构的上平台共轴，运动坐标系的原点A与转动关节坐标系原点O重合，转动关节绕转动关节坐标系O-x0y0z0的z0轴转动；摆动关节绕摆动关节坐标系O1-x1y1z1的y1轴上下摆动，摆动关节坐标系原点O1为z0轴与y1轴的交点，O1到O的距离设为d1，O1到伸缩关节坐标系原点O2的距离为d2；伸缩关节沿伸缩关节坐标系O2-x2y2z2的x2轴做伸缩运动，伸缩关节的伸缩长度为d3，d3是O2到廊桥末端坐标系原点O3的距离。步骤2：建立混联登乘机构运动学模型和任务空间下的雅克比矩阵：设上平台相对基座的三个姿态角分别为α、β、γ，上平台中心在基座标系中的位置向量为则并联机构齐次变换矩阵为：其中是上平台相对基座的旋转矩阵，满足：设串联舷梯转动关节旋转角为θ1，摆动关节摆动角为θ2，第三个关节伸缩量为d3，根据D-H法得串联舷梯齐次变换矩阵为：根据该齐次变换矩阵得到基座标系下三自由度串联舷梯运动方程为：其中为三自由度串联舷梯在基座标系下的位姿向量，q为三自由度串联舷梯三个关节在各自关节坐标系下的转角或位移向量；Js是舷梯对应的雅克比矩阵；针对六自由度并联机构上平台的六自由度运动，采用欧拉角法建立雅克比矩阵：设上平台在基坐标系下的位置矩阵为η1＝[x,y,z]T，姿态矩阵为η2＝[α,β,γ]T，则上平台广义六自由度运动量为：η＝[η1T,η2T]T上平台相对基座标系沿xbybzb三轴方向的位移和速度转换关系为：其中v1是上平台沿基坐标系三个坐标轴平移的速度矩阵，J1是与欧拉角相关的速度转换矩阵，根据旋转欧拉定理，J1表达式为：同理，上平台相对基座标系绕xbybzb三轴转动的角度与角速度的转换关系为：其中v2是上平台绕xbybzb三个坐标轴转动的角速度矩阵，J2是角速度转换矩阵，根据旋转欧拉定理，J2表达式为：其中，假设纵倾角满足得到并联机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法，所述混联登乘机构包括一个六自由度并联机构和三自由度串联舷梯，其中六自由度并联机构由六个液压缸、上平台和基座组成；三自由度串联舷梯由回转机构、俯仰机构和伸缩机构组成，三自由度串联机构与六自由度并联机构之间通过铰支座组成，基座将混联登乘机构固定在运维船甲板上；六自由度并联机构由六台铰支座与六台伺服油缸构成，六自由度并联机构主要执行机构为六台伺服油缸，六台伺服油缸以对称的空间几何结构支撑着上平台，油缸两端通过十字轴承、铰支座与上平台和基座固联；六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，上铰支座与上平台下表面固连，伺服油缸缸底与下铰支座铰接，下铰支座与基座上表面固连，基座通过地脚螺栓与甲板固连，为运动补偿提供安全可靠的支撑。三自由度串联机构自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥；回转机构补偿廊桥航向角度上的偏差；俯仰机构补偿廊桥俯仰角度的偏差；伸缩功能的廊桥补偿空间位移上的偏差；回转机构与上平台连接关节为转动关节，回转机构与俯仰机构连接关节为摆动关节，俯仰机构与伸缩功能的廊桥连接关节为伸缩关节，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立混联登乘机构坐标系：在并联机构上平台和基座上分别建立坐标系，基座上的坐标系为基坐标系，基坐标系xbybzb的原点B位于基座下平台中心且固定不动，以基坐标系为参考，运动坐标系xayaza的原点A也位于上平台的中心位置；当上平台处于中位时，整个并联平台也处于中位，za轴和zb轴位于同一条直线上，其中，Bi(i＝1,2,…,6)表示下平台(静平台)铰点，Ai(i＝1,2,…,6)表示上平台铰点；在三自由度串联舷梯的转动关节、摆动关节和伸缩关节处分别建立转动关节坐标系O‑x0y0z0、摆动关节坐标系O1‑x1y1z1和伸缩关节坐标系O2‑x2y2z2，在廊桥末端建立坐标系O3‑x3y3z3；三自由度串联舷梯的转动关节与并联机构的上平台共轴，运动坐标系的原点A与转动关节坐标系原点O重合，转动关节绕转动关节坐标系O‑x0y0z0的z0轴转动；摆动关节绕摆动关节坐标系O1‑x1y1z1的y1轴上下摆动，摆动关节坐标系原点O1为z0轴与y1轴的交点，O1到O的距离设为d1，O1到伸缩关节坐标系原点O2的距离为d2；伸缩关节沿伸缩关节坐标系O2‑x2y2z2的x2轴做伸缩运动，伸缩关节的伸缩长度为d3，d3是O2到廊桥末端坐标系原点O3的距离。步骤2：建立混联登乘机构运动学模型和任务空间下的雅克比矩阵：设上平台相对基座的三个姿态角分别为α、β、γ，上平台中心在基座标系中的位置向量为...

【技术特征摘要】
1.一种基于海浪主动补偿的混联登乘机构运动规划方法，所述混联登乘机构包括一个六自由度并联机构和三自由度串联舷梯，其中六自由度并联机构由六个液压缸、上平台和基座组成；三自由度串联舷梯由回转机构、俯仰机构和伸缩机构组成，三自由度串联机构与六自由度并联机构之间通过铰支座组成，基座将混联登乘机构固定在运维船甲板上；六自由度并联机构由六台铰支座与六台伺服油缸构成，六自由度并联机构主要执行机构为六台伺服油缸，六台伺服油缸以对称的空间几何结构支撑着上平台，油缸两端通过十字轴承、铰支座与上平台和基座固联；六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，上铰支座与上平台下表面固连，伺服油缸缸底与下铰支座铰接，下铰支座与基座上表面固连，基座通过地脚螺栓与甲板固连，为运动补偿提供安全可靠的支撑。三自由度串联机构自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥；回转机构补偿廊桥航向角度上的偏差；俯仰机构补偿廊桥俯仰角度的偏差；伸缩功能的廊桥补偿空间位移上的偏差；回转机构与上平台连接关节为转动关节，回转机构与俯仰机构连接关节为摆动关节，俯仰机构与伸缩功能的廊桥连接关节为伸缩关节，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立混联登乘机构坐标系：在并联机构上平台和基座上分别建立坐标系，基座上的坐标系为基坐标系，基坐标系xbybzb的原点B位于基座下平台中心且固定不动，以基坐标系为参考，运动坐标系xayaza的原点A也位于上平台的中心位置；当上平台处于中位时，整个并联平台也处于中位，za轴和zb轴位于同一条直线上，其中，Bi(i＝1,2,…,6)表示下平台(静平台)铰点，Ai(i＝1,2,…,6)表示上平台铰点；在三自由度串联舷梯的转动关节、摆动关节和伸缩关节处分别建立转动关节坐标系O-x0y0z0、摆动关节坐标系O1-x1y1z1和伸缩关节坐标系O2-x2y2z2，在廊桥末端建立坐标系O3-x3y3z3；三自由度串联舷梯的转动关节与并联机构的上平台共轴，运动坐标系的原点A与转动关节坐标系原点O重合，转动关节绕转动关节坐标系O-x0y0z0的z0轴转动；摆动关节绕摆动关节坐标系O1-x1y1z1的y1轴上下摆动，摆动关节坐标系原点O1为z0轴与y1轴的交点，O1到O的距离设为d1，O1到伸缩关节坐标系原点O2的距离为d2；伸缩关节沿伸缩关节坐标系O2-x2y2z2的x2轴做伸缩运动，伸缩关节的伸缩长度为d3，d3是O2到廊桥末端坐标系原点O3的距离。步骤2：建立混联登乘机构运动学模型和任务空间下的雅克比矩阵：设上平台相对基座的三个姿态角分别为α、β、γ，上平台中心在基座标系中的位置向量为则并联机构齐次变换矩阵为：其中是上平台相对基座的旋转矩阵，满足：设串联舷梯转动关节旋转角为θ1，摆动关节摆动角为θ2，第三个关节伸缩量为d3，根据D-H法得串联舷梯齐次变换矩阵为：根据该齐次变换矩阵得到基座标系下三自由度串联舷梯运动方程为：其中为三自由度串联舷梯在基座标系下的位姿向量，q为三自由度串联舷梯三个关节在各自关节坐标系下的转角或位移向量；Js是舷梯对应的雅克比矩阵；针对六自由度并联机构上平台的六自由度运动，采用欧拉角法建立雅克比矩阵：设上平台在基坐标系下的位置矩阵为η1＝[x,y,z]T，姿态矩阵为η2＝[α,β,γ]T，则上平台广义六自由度运动量为：η＝[η1T,η2T]T上平台相对基座标系沿xbybzb三轴方向的位移和速度转换关系为：其中v1是上平台沿基坐标系三个坐标轴平移的速度矩阵，J1...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏延辉，田晨光，刘静，郑志，杨鹏飞，牛佳乐，李强强，刘东东，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23