考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法技术

考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法，涉及机器人。构建系统动力学方程，用于绳拉力优化和控制器设计；根据期望的动平台运动轨迹，基于系统动力学方程和约束条件，采用以刚度加权最大为目标函数的绳拉力动态优化模型，优化绳拉力分布，计算变形量；根据实际绳长和变形量，通过运动学正解，分析牵引绳弹性变形引起的动平台位姿误差；采用视觉测量动平台的实际运动状态，并将它与期望运动状态之间的偏差作为控制量；设计控制器；根据设计的控制器，计算控制驱动力矩指令，最终控制动平台运动轨迹和绳拉力，满足工况需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人，尤其是涉及一种考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法。
技术介绍
绳牵引并联支撑系统(Cable-Driven Parallel Supporting System，也称索并联支撑系统)是基于机器人技术的一种新型机构，与传统的刚性连接并联机构相比，前者最大的优点是具有可伸缩性，通过传动机构调整绳索的长度很容易实现较大的工作空间，同时具有结构简单、成本低、惯性小、运动灵活等特点，非常适用于机械加工、机器人吊车、航空航天等领域，已成为近年来研究的热点。绳牵引并联支撑系统实质上是复杂的强耦合、多输入多输出、非线性时变系统，其动力学分析与控制是实现该机构运动的关键。此外，由于绳索只能受拉不能受压，要求系统动态变化时绳索应始终处于张紧状态，此特点也决定了在设计控制器时必须同时考虑绳索张力和运动位姿，即力/位混合控制。对于一些要求动平台高精度运动的应用，如绳牵引高速摄像机、风洞试验绳牵引并联支撑系统等，还需进一步考虑绳索弹性对动平台位姿的影响，以及控制补偿。与发展较为成熟的刚性并联机器人控制技术相比，目前绳牵引并联机构的控制研究相对较少。两者的控制方法有相似可借鉴之处，但亦有区别。尤其是关于力/位混合控制策略，前者通常是指末端操纵器与外界环境接触产生的力，可能会影响纯位置的轨迹控制方式，因此引入力检测传感器，利用反馈的力误差去修正期望的位置轨迹，以达到控制目的；而后者主要是为了确保在动平台动态试验时牵引绳索始终处于张紧状态，并满足一定的刚度要求，对模型位姿控制的同时，对绳索张力进行连续实时的优化控制。此外，绳牵引并联机器人中绳的弹性影响也是必须要考虑的。目前，针对绳牵引并联机器人的高精度控制问题，虽有文献进行了控制仿真与验证，如：国外，Lamaury等针对ReelAx8索并联原理样机，基于驱动空间设计了PID控制器，以电机转角为反馈量控制绳索长度，调整动平台位姿(Lamaury J,Gouttefarde M,Michelin M,et al.Design and control strategies of a redundant suspended cable-driven parallel robot.In:Lenarcic J,Husty M(eds)Advances in robot kinematics.Springer,Berlin,2012:237–244)；Bayani等针对平面绳牵引并联机器人，采用单目视觉测量和自适应滑模控制，但只是运动学控制(Bayani H,Masouleh M T,Kalhor A.An experimental study on the vision-based control and identification of planar cable-driven parallel robots.Robotics and Autonomous Systems,2016,75:187-202)。国内，仇原鹰等对绳牵引并联机构进行了基于刚度增强的半闭环控制仿真(刘欣,仇原鹰,盛英.风洞试验绳牵引冗余并联机器人的刚度增强与运动控制，航空学报,2009,30(6):1156-1164)；并针对高速绳牵引摄像机器人，基于末端位置空间，设计了PD前馈控制器和干扰观测器以实现运动的稳定控制(韦慧玲,仇原鹰,盛英.高速绳牵引摄像机器人的运动稳定控制[J].西安电子科技大学学报,2016,05:70-77)。但由于绳牵引并联机构的应用背景不同，所关注和需要解决的关键问题也不尽相同，上述研究没有涉及绳索弹性的影响，控制精度还不能完全满足要求。针对绳牵引并联机器人在风洞试验支撑系统、移动摄像机牵引系统等高精度应用情况下，不仅需要综合考虑系统刚度，以及绳索变形对动平台位姿的影响分析，还需设计补偿相应误差的力位混合控制方法，因此，提出一种考虑绳弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法，对其工程应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的上述不足，提供一种主要用来解决绳牵引并联机器人现有控制方法在运动过程中所存在的运动精度不高、系统刚度较低等问题的考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法。本专利技术包括如下步骤：1)构建系统动力学方程，用于绳拉力优化和控制器设计；2)根据期望的动平台运动轨迹，基于系统动力学方程和约束条件，采用以刚度加权最大为目标函数的绳拉力动态优化模型，优化绳拉力分布，进而计算变形量；3)根据实际绳长和变形量，通过运动学正解，分析牵引绳弹性变形引起的动平台位姿误差；4)采用视觉测量动平台的实际运动状态，并将实际运动状态与期望运动状态之间的偏差作为控制量；5)设计控制器，具体包括：建立基于位姿误差的比例微分反馈控制器，以满足运动精度要求；将绳拉力动态优化作为前馈控制器，以保证系统刚度，同时避免绳松弛；加入绳长变化修正项，补偿弹性引起的误差，增强系统的鲁棒性，保证动平台沿期望轨迹运动；6)根据设计的控制器，计算控制驱动力矩指令，最终控制动平台运动轨迹和绳拉力，满足工况需求。在步骤1)中，所述系统动力学方程采用如下表达式： x · 1 x · 2 x · 3 x · 4 = 0 1 0 0 0 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法，其特征在于包括如下步骤：1)构建系统动力学方程，用于绳拉力优化和控制器设计；2)根据期望的动平台运动轨迹，基于系统动力学方程和约束条件，采用以刚度加权最大为目标函数的绳拉力动态优化模型，优化绳拉力分布，进而计算变形量；3)根据实际绳长和变形量，通过运动学正解，分析牵引绳弹性变形引起的动平台位姿误差；4)采用视觉测量动平台的实际运动状态，并将实际运动状态与期望运动状态之间的偏差作为控制量；5)设计控制器，具体包括：建立基于位姿误差的比例微分反馈控制器；将绳拉力动态优化作为前馈控制器；加入绳长变化修正项，补偿弹性引起的误差，增强系统的鲁棒性，保证动平台沿期望轨迹运动；6)根据设计的控制器，计算控制驱动力矩指令，最终控制动平台运动轨迹和绳拉力，满足工况需求。

【技术特征摘要】
1.考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法，其特征在于包括如下步骤：1)构建系统动力学方程，用于绳拉力优化和控制器设计；2)根据期望的动平台运动轨迹，基于系统动力学方程和约束条件，采用以刚度加权最大为目标函数的绳拉力动态优化模型，优化绳拉力分布，进而计算变形量；3)根据实际绳长和变形量，通过运动学正解，分析牵引绳弹性变形引起的动平台位姿误差；4)采用视觉测量动平台的实际运动状态，并将实际运动状态与期望运动状态之间的偏差作为控制量；5)设计控制器，具体包括：建立基于位姿误差的比例微分反馈控制器；将绳拉力动态优化作为前馈控制器；加入绳长变化修正项，补偿弹性引起的误差，增强系统的鲁棒性，保证动平台沿期望轨迹运动；6)根据设计的控制器，计算控制驱动力矩指令，最终控制动平台运动轨迹和绳拉力，满足工况需求。2.如权利要求1所述考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法，其特征在于在步骤1)中，所述系统动力学方程采用如下表达式： x · 1 x · 2 x · 3 x · 4 = 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 - M 0 - 1 C 0 x 1 x 2 x 3 x 4 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓光，张小城，马少宇，林麒，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35