一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法技术

本发明专利技术公开了一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，包括：步骤1，设定机器人的坐标系和参数；步骤2，确定静力学平衡方程；步骤3，确定空间动平台的动滑轮组牵引的约束关系；步骤4，按步骤5、6和7进行离线优化求解；按步骤8、9和10进行在线优化求解；步骤5，建立离线优化求解目标；步骤6，计算系统刚度；步骤7，采用非线性优化求解方法对离线优化求解目标进行优化求解；步骤8，建立在线优化求解目标；步骤9，计算待求解参数的区间范围；步骤10，根据步骤9得出的待求解参数的区间范围，采用非线性优化求解方法对在线优化目标进行在线优化求解。采用系统刚度和绳索拉力作为优化指标，并使用直线移动装置的运动性能作为约束条件，大大提高了运动学优化求解的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法
本专利技术涉及绳索牵引并联机器人控制领域，尤其涉及一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法。
技术介绍
绳索牵引并联机器人具有负载能力强、运动惯量小以及工作空间大的特点，被广泛应用于大型设备吊装、航空仿真模拟支撑系统以及物流仓储等；传统绳索牵引并联机器人的绳索引出点固定在结构框架上，也可以称作是固定结构式绳索牵引病例机器人；固定式绳索牵引并联机器人通过控制工作空间中的绳索长度来改变空间动平台的位置和姿态，从而实现完成各种复杂任务；但是受到固定结构的限制，固定结构式绳索牵引并联机器人的应用范围受到限制、避障能力差以及力学特性差，从而制约了绳索牵引并联机器人的发展和进一步应用；专利号为ZL201710253505.2的中国专利公开了一种多构型绳索驱动并联机器人及其空间位姿求解方法，该专利技术公开了一种多构型绳索驱动并联机器人，设置有多个绳索驱动装置、主体机架、动平台和若干绳索；该绳索牵引并联机器人能够实现多种构型可重构，但是无法实现连续自动可重构；其空间位姿求解方法也只能适用于这种多构型绳索牵引并联机器人，无法应用于连续可变结构的绳索牵引并联机器人。运动学优化求解方法是可变结构绳索牵引并联机器人实现运动规划和运动控制的技术基础，但目前还没有有效的可变结构绳索牵引并联机器人运动学优化求解方法，无法为可变结构绳索牵引并联机器人的运动规划和运动控制提供技术支持。
技术实现思路
基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，能解决目前没有对可变结构绳索驱动并联机器人进行运动学优化求解的方法，无法为可变结构绳索牵引并联机器人的运动规划和运动控制提供技术支持的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术实施方式提供一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其特征在于，用于对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学优化求解，包括以下步骤：步骤1，设定可变结构绳索牵引并联机器人的坐标系和参数：将所述可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系用{O}表示；将所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的参考坐标系用{Op}表示，该参考坐标系设置在空间动平台的几何中心点；将所述空间动平台在所述世界坐标系{O}中的位姿用p表示；将所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置上绳索引出点Ai的位置用向量hi表示；将所述可变结构绳索牵引并联机器人的动平台上绳索连接点Bi在所述空间动平台的参考坐标系{Op}中的位置用向量bi表示；将从所述世界坐标系{O}中Bi点到Ai点的绳索向量用li表示；步骤2，根据所述步骤1设定的所述可变结构绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的静力学平衡方程为：A(p)·T＝w(1)所述式(1)中，T表示空间动平台上牵引绳索的拉力，T＝[T1,T2,…,Tm]T；w表示外部负载作用在空间动平台上的力和力矩；矩阵A中元素为：所述式(2)中，向量R表示空间动平台在世界坐标系{O}中的旋转矩阵；步骤3，确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的动滑轮组牵引的约束关系为：Ti＝Ti+1,i＝2j-1,j＝1,2,…,n(3)将上述约束关系记为矩阵A′，则计算每根绳索上的拉力为：T＝A*w+λH(4)所述式(4)中，A*表示扩展矩阵的违逆，A*w是所述式(1)的最小范数解；H为矩阵A的零空间向量，满足AH＝0；λ为任意常数；当存在解满足Tmin≤T≤Tmax，则确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的位姿满足力可行的约束条件；所述Tmin表示每根绳索上的最小拉力，设为5N；所述Tmax表示每根绳索上的最大拉力，由所述可变结构绳索牵引并联机器人的高精度绳索牵引装置、结构框架、直线移动装置和绳索所能负载的能力确定；步骤4，若对所述可变结构绳索牵引并联机器人进行离线优化求解，则依次进行步骤5、步骤6和步骤7，若对所述可变结构绳索牵引并联机器人进行在线优化求解，则依次进行步骤8、步骤9和步骤10；步骤5，利用所述步骤3中求解得到的绳索拉力，建立所述可变结构绳索牵引并联机器人的离线优化求解目标为：minimizeΨ＝c1φ1+c2φ2(5)所述式(5)中，表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的所有绳索上的最小拉力和最大拉力的比值；φ2表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的系统刚度K；c1和c2分别表示两个子优化目标的权重比例系数，取值分别为c1＝0.2，c2＝0.8；步骤6，采用以下式(6)计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的系统刚度K，为：所述式(16)中，表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索的弹性模量；Si表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索的横截面积，li表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的第i根绳索长度；步骤7，采用非线性优化求解方法对所述步骤5中建立的离线优化求解目标进行优化求解，具体为：所述式(7)中，min(hz)≤hz≤max(hz)表示待求解的参数范围；离线优化求解完成后，输出空间动平台在所述世界坐标系{O}中的位姿参数p；结束本次的所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解；步骤8，利用所述步骤3中求解得到的绳索拉力，建立所述可变结构绳索牵引并联机器人的在线优化求解目标为：所述式(8)中，Δli表示在计算周期内的所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索变化量；Ti表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索上的拉力；min(hz)≤hz≤max(hz)表示待求解参数的区间范围；为了加快在线实时求解的速度，这里采用绳索上的拉力做功作为优化指标；为了进一步提高求解速度，将待求解目标的求解区间进行限制，根据直线移动装置的移动性能来进行约束；步骤9，按以下公式计算待求解参数的区间范围，具体为：min(hz)＝hz0-V0t-1/2amaxt2(9)max(hz)＝hz0+V0t+1/2amaxt2(10)所述式(9)、(10)中，hz0表示当前状态下的参数数值；V0表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的移动机构当前状态下的速度；amax表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的移动机构所能提供的最大加速度；t表示需要求解的t时刻，t设置为所述可变结构绳索牵引并联机器人的控制周期；步骤10，根据所述步骤9得出的待求解参数的区间范围，采用非线性优化求解方法优化求解所述步骤8的式(8)的在线优化求解目标进行在线优化求解，在线实时得到任意绳长和直线移动位置下的所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的位姿参数p。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其有益效果为：通过采用系统刚度和绳索拉力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其特征在于，用于对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学优化求解，包括以下步骤：/n步骤1，设定可变结构绳索牵引并联机器人的坐标系和参数：/n将所述可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系用{O}表示；/n将所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的参考坐标系用{O

【技术特征摘要】
1.一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其特征在于，用于对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学优化求解，包括以下步骤：
步骤1，设定可变结构绳索牵引并联机器人的坐标系和参数：
将所述可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系用{O}表示；
将所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的参考坐标系用{Op}表示，该参考坐标系设置在空间动平台的几何中心点；
将所述空间动平台在所述世界坐标系{O}中的位姿用p表示；
将所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置上绳索引出点Ai的位置用向量hi表示；
将所述可变结构绳索牵引并联机器人的动平台上绳索连接点Bi在所述空间动平台的参考坐标系{Op}中的位置用向量bi表示；
将从所述世界坐标系{O}中Bi点到Ai点的绳索向量用li表示；
步骤2，根据所述步骤1设定的所述可变结构绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的静力学平衡方程为：
A(p)·T＝w(1)
所述式(1)中，T表示空间动平台上牵引绳索的拉力，T＝[T1,T2,…,Tm]T；w表示外部负载作用在空间动平台上的力和力矩；矩阵A中元素为：



所述式(2)中，向量R表示空间动平台在世界坐标系{O}中的旋转矩阵；
步骤3，确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的动滑轮组牵引的约束关系为：
Ti＝Ti+1,i＝2j-1,j＝1,2,…,n(3)
将上述约束关系记为矩阵A′，则计算每根绳索上的拉力为：
T＝A*w+λH(4)
所述式(4)中，A*表示扩展矩阵的违逆，A*w是所述式(1)的最小范数解；H为矩阵A的零空间向量，满足AH＝0；λ为任意常数；当存在解满足Tmin≤T≤Tmax，则确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的位姿满足力可行的约束条件；所述Tmin表示每根绳索上的最小拉力，设为5N；所述Tmax表示每根绳索上的最大拉力，由所述可变结构绳索牵引并联机器人的高精度绳索牵引装置、结构框架、直线移动装置和绳索所能负载的能力确定；
步骤4，若对所述可变结构绳索牵引并联机器人进行离线优化求解，则依次进行步骤5、步骤6和步骤7，若对所述可变结构绳索牵引并联机器人进行在线优化求解，则依次进行步骤8、步骤9和步骤10；
步骤5，利用所述步骤3中求解得到的绳索拉力，建立所述可变结构绳索牵引并联机器人的离线优化求解目标为：
minimizeΨ＝c1φ1+c2φ2(5)
所述式(5)中，表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的所有绳索上的最小拉力和最大拉力的比值；φ2表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的系统刚度K；c1和c2分别表示两个子优化目标的权重比例系数，取值分别为c1＝0.2，c2＝0.8；
步骤6，采用以下式(6)计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的系统刚度K，为：



所述式(16)中，表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索的弹性模量；Si表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索的横截面积，li表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的第i根绳索长度；
步骤7，采用非线性优化求解方法对所述步骤5中建立的离线优化求解目标进行优化求解，具体为：



所述式(7)中，min(hz)≤hz≤max(hz)表示待求解的参数范围；
离线优化求解完成后，输出空间动平台在所述世界坐标系{O}中的位姿参数p；结束本次的所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解；
步骤8，利用所述步骤3中求解得到的绳索拉力，建立所述可变结构绳索牵引并联机器人的在线优化求解目标为：



所述式(8)中，Δli表示在计算周期内的所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索变化量；Ti表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索上的拉力；min(hz)≤hz≤max(hz)表示待求解参数的区间范围；
步骤9，按以下公式计算待求解参数的区间范围，具体为：
min(hz)＝hz0-V0t-1/2amaxt2(9)
max(hz)＝hz0+V0t+1/2amaxt2(10)
所述式(9)、(10)中，hz0表示当前状态下的参数数值；V0表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的移动机构当前状态下的速度；amax表示所述可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的移动机构所能提供的最大加速度；t表示需要求解的t时刻，t设置为所述可变结构绳索牵引并联机器人的控制周期；
步骤10，根据所述步骤9得出的待求解参数的区间范围，采用非线性优化求解方法优化求解所述步骤8的式(8)的在线优化求解目标进行在线优化求解，在线实时得到任意绳长和直线移动位置下的所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台的位姿参数p。


2.根据权利要求1所述的可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其特征在于，所述方法中，所述步骤7采用的非线性优化求解方法为粒子群、遗传算法、模拟退火算法中的至少一种；
所述步骤10采用的非线性优化求解方法为粒子群、遗传算法、模拟退火算法中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的可变结构绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，其特征在于，所述方法中，该可变结构绳索牵引并联机器人的结构包括：相互独立的多条绳索牵引支链、结构框架(1000)和空间动平台(6000)；其中，
所述四条绳索牵引支链分布设在所述结构框架(1000)内；
所述空间动平台(6000)上分布设置与多条绳索牵引支链数量相同的多组万向牵引装置(5000)；
所述多条绳索牵引支链一一对应穿过所述空间动平台(6000)的多组万向牵引装置(5000)，将所述空间动平台(6000)牵引连接悬置于所述结构框架(1000)内，所述空间动平台(6000)能经所述多条绳索牵引支链牵引驱动调整在所述结构框架(1000)内的空间位置；
每条绳索牵引支链均包括：一个高精度绳索牵引装置(4000)、一个直线移动装置(2000)、第一万向导引装置(8000)、第二万向导引装置(3000)和一根绳索(7000)；其中，

【专利技术属性】
技术研发人员：尚伟伟，张飞，王晓燕，丛爽，李智军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34