一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学速度求解方法技术

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，包括结构框架、高精度绳索牵引装置、直线移动装置、万向导引装置、空间动平台、万向牵引装置以及绳索等零部件组成。可变结构的绳索牵引并联机器人通过高精度绳索牵引装置来改变绳索长度和拉力大小，实现控制空间动平台在工作空间中运动，从而完成搬运物体、吊装以及维护喷涂等工作。可变结构绳索牵引并联机器人通过直线移动装置来实现空间结构变形，能够针对环境调整空间构型来满足不同的任务要求。此外空间动平台上还设置了多组万向牵引装置，利用空间动滑轮组的牵引力放大作用提高了机器人的负载能力和系统刚度。本文还公开了一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学速度求解方法，该方法属于机器人运动控制领域，基于螺旋理论对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学建模，获得关于绳索长度和空间动平台位姿的映射模型。

【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速度求解方法
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速度求解方法。
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，进而无法通过运动控制方法实现连续可重构的运动控制；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。申请号为201110026500.9的中国专利公开了一种能够实现快速重构的绳索驱动并联机器人，该装置设置有驱动模块、换向装置以及输出装置，但是该装置仅能够实现有限范围内的可重构，重构过程必须手动进行，无法实现连续可重构的自动控制。绳索机器人的空间动平台速度与运动关节速度可以统称为运动学速度，目前还没有有效的可变结构绳索牵引并联机器人运动学速度求解方法，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速度求解方法，能解决现有绳索驱动并联机器人运动学控制所存在的连续可重构的运动学速度求解问题。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速度求解方法，用于对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学速度进行求解，包括以下步骤：步骤1：设定可变结构绳索牵引并联机器人各控制部件的坐标系，并根据设定的所述坐标系确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学方程：用{S}表示世界坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系；用{O}表示空间动平台坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台几何中心的参考坐标系；用{bi}表示空间动平台上绳索连接点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索连接点的参考坐标系；用表示直线移动装置坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的参考坐标系；表示移动关节坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置上的移动关节参考坐标系；表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的绳索在直线移动装置的移动平台的滑轮的引出点上的参考坐标系；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索进入空间动平台上的万向牵引装置滑轮的接触点的参考坐标系；上述设定的各坐标系中，i＝1,2,…,m表示可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索的数目；j＝1,2,…,n表示绳索牵引支链的数目，每条绳索牵引支链的绳索通过空间动平台上的万向牵引装置牵引，由高精度绳索牵引装置的伺服电机的编码器读取得到每根绳索的实际长度，记为{Lj}；将空间动平台上连接的绳索单独编号记为li；将空间动平台在世界坐标系{S}中的位姿记为其中，RSO表示空间动平台在世界坐标系{S}下的旋转矩阵，PSO表示空间动平台在世界坐标系下的位置矩阵；根据所述空间动平台在世界坐标系{S}中的位姿得到伴随矩阵为逆伴随矩阵为则确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学方程为：所述式(1)中，表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系的齐次转换矩阵；表示移动关节坐标系到直线移动装置坐标系的齐次转换矩阵；表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系相对移动关节坐标系的齐次转换矩阵；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系的齐次转换矩阵；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对空间动平台坐标系{O}的齐次转换矩阵；gSO(q0)表示空间动平台的初始位姿；q0表示空间动平台初始状态下的绳索初始长度，为高精度绳索牵引装置的伺服电机的编码器的初始读数；当绳索长度为q时，空间动平台位姿求解步骤如下：步骤2：通过以下式(2)计算可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台在世界坐标系中的瞬时速度为：步骤3：用旋量形式表示所述步骤2计算得到的瞬时速度为：步骤4：利用伴随矩阵计算空间动平台坐标系{O}与世界坐标系{S}的雅可比矩阵之间转换矩阵为：步骤5：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的瞬时速度为:所述式(6)中，nm表示第m个绳索牵引支链上的全部关节的数量，将所述式(6)转换为：所述式(7)中，[I]表示单位矩阵；步骤6：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索连接点坐标系{bi}与万向牵引装置上的绳索接触点坐标系之间的拉力约束为：所述式(8)中，表示绳索对空间动平台绳索连接点的单位力矩向量；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对空间动平台上绳索连接点坐标系{bi}的运动速度旋量，后续只计算刚体上的速度，省略计算式(8)中符号的上标b，符号指代的意义不变；表示直线移动装置上移动平台在z轴方向的移动速度；表示绳索相对直线移动装置上移动平台的转角，该关节为被动关节；表示绳索的速度；根据刚体之间的速度传递关系得到其中，VS3i表示空间动平台上绳索连接点相对世界坐标系{S}的速度；根据直线移动装置坐标系相对世界坐标系{S}固定不动，确定步骤7：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索连接点相对世界坐标系{S}的速度为：步骤8：将所述步骤5的计算结果带入所述步骤7的式(9)得到：所述式(10)中，VSO表示空间动平台速度，为空间动平台坐标系{O}在世界坐标系{S}中的速度；步骤9：将所述式(10)带入所述步骤6的式(8)得到所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学约束方程为：其中，所述方程(11)表示第i根绳索中运动关节速度与空间动平台速度VSO之间速度的约束方程；得到的最终约束方程为其中步骤10：将所述步骤9得到的最终约束方程应用到每根绳索上，得到：所述式(12)中，并且通过以上各式能得到所述可变结构绳索牵引并联机器人运动学速度模型；步骤11：通过所述步骤10得到的运动学速度模型得出运本文档来自技高网...

【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速度求解方法，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控制，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各控制部件的坐标系，并根据设定的所述坐标系确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学方程：/n用{S}表示世界坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系；/n用{O}表示空间动平台坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台几何中心的参考坐标系；/n用{b

【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速度求解方法，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控制，包括以下步骤：
步骤1：设定可变结构绳索牵引并联机器人各控制部件的坐标系，并根据设定的所述坐标系确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学方程：
用{S}表示世界坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系；
用{O}表示空间动平台坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台几何中心的参考坐标系；
用{bi}表示空间动平台上绳索连接点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索连接点的参考坐标系；
用表示直线移动装置坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置的参考坐标系；

表示移动关节坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的直线移动装置上的移动关节参考坐标系；

表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的绳索在直线移动装置的移动平台的滑轮的引出点上的参考坐标系；

表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系，为可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索进入空间动平台上的万向牵引装置滑轮的接触点的参考坐标系；
上述设定的各坐标系中，i＝1,2,*,m表示可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索的数目；j＝1,2,…,n表示绳索牵引支链的数目，
每条绳索牵引支链的绳索通过空间动平台上的万向牵引装置牵引，由高精度绳索牵引装置的伺服电机的编码器读取得到每根绳索的实际长度，记为{Lj}；
将空间动平台上连接的绳索单独编号记为li；
将空间动平台在世界坐标系{S}中的位姿记为其中，RSO表示空间动平台在世界坐标系{S}下的旋转矩阵，PSO表示空间动平台在世界坐标系下的位置矩阵；
根据所述空间动平台在世界坐标系{S}中的位姿得到伴随矩阵为逆伴随矩阵为则确定所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学方程为：



所述式(1)中，表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系的齐次转换矩阵；表示移动关节坐标系到直线移动装置坐标系的齐次转换矩阵；表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系相对移动关节坐标系的齐次转换矩阵；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系的齐次转换矩阵；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对空间动平台坐标系{O}的齐次转换矩阵；gSO(q0)表示空间动平台的初始位姿；q0表示空间动平台初始状态下的绳索初始长度，为高精度绳索牵引装置的伺服电机的编码器的初始读数；当绳索长度为q时，空间动平台位姿求解步骤如下：
步骤2：通过以下式(2)计算可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台在世界坐标系中的瞬时速度为：



步骤3：用旋量形式表示所述步骤2计算得到的瞬时速度为：



步骤4：利用伴随矩阵计算空间动平台坐标系{O}与世界坐标系{S}的雅可比矩阵之间转换矩阵为：






步骤5：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的瞬时速度为:



所述式(6)中，nm表示第m个绳索牵引支链上全部关节的数量，将所述式(6)转换为：



所述式(7)中，[I]表示单位矩阵；
步骤6：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上绳索连接点坐标系{bi}与万向牵引装置上的绳索接触点坐标系之间的拉力约束为：
所述式(8)中，表示绳索对空间动平台绳索连接点的单位力矩向量；表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系相对空间动平台上绳索连接点坐标系{bi}的运动速度旋量，后续只计算刚体上的速度，省略计算式(8)中符号的上标b，符号指代的意义不变；表示直线移动装置上移动平台在z轴方向的移动速度；表示绳索相对直线移动装置上移动平台的转角，表示绳索的速度；
根据刚体之间的速度传递关系得到其中，VS3i表示空间动平台上绳索连接点相对世界坐标系{S}的速度；根据直线移动装置坐标系相对世界坐标系{S}固定不动，确定
步骤7：计算所述可变结构绳索牵引并联机器人的绳索连接点相对世界坐标系{S}的速度为：
步骤8：将所述步骤5的计算结果带入所述步骤7的式(9)得到：



所述式(10)中，VSO表示空间动平台速度，为空间动平台坐标系{O}在世界坐标系{S}中的速度；
步骤9：将所述式(10)带入所述步骤6的式(8)得到所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学约束方程为：
其中，
所述方程(11)表示第i根绳索中运动关节速度与空间动平台速度VSO之间速度的约束方程；
得到的最终约束方程为其中
步骤10：将所述步骤9得到的最终约束方程应用到每根绳索上，得到：



所述式(12)中，并且通过以上各式能得出所述可变结构绳索牵引并联机器人运动学速度模型；
步骤11：通过所述步骤10得到的运动学速度模型得出运动关节变量与空间动平台的速度VO的映射方程为：



步骤12：逆运动学速度模型的计算式为：



完成计算所述式(13)能在已知运动关节速度时求解计算出空间动平台的速度，计算所述式(14)能在已知空间动平台速度时求解计算出关节速度；根据所述式(13)和式(14)能实现对所述可变结构绳索牵引并联机器人的运动学速度进行求解。


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速度求解方法，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...

【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