三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法技术

本发明专利技术涉及并联机器人运动学领域，具体涉及一种三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法。本发明专利技术位姿控制方法包括：构建与平台位姿向量相关的目标函数和位姿向量矩阵，进行初始化，采用单纯型算法优化所述位姿向量矩阵；约束位姿向量搜索边界，对优化获得的位姿向量矩阵中的位姿向量执行惩罚操作，剔除超出搜索边界的位姿向量；搜索剩余的位姿向量对应的目标函数最小值，输出目标函数最小值对应的最优位姿向量。采用惩罚函数算法，避免寻优过程超出边界，以解决机构极限行程外正解无解，致使搜索算法不收敛的情况，能够实现快速收敛。本发明专利技术可应用于并联机器人的控制。

【技术实现步骤摘要】
三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法
本专利技术涉及并联机器人运动学领域，具体涉及一种三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法。
技术介绍
并联机器人是机器人中重要的一类，具备机构紧凑、刚度高、负载能力强等优势。其中，三自由度转动曲柄连杆(简称3-RSS/S)并联平台被广泛应用于航天、医疗和工业装配领域，其精确定姿和力学响应特性正是当下研究与应用的热点，而平台位姿监控是这些研究中不可或缺的技术环节。在实际生产中，由于安装传感器会较大地限制平台行程范围，因此直接测算平台位姿的方法往往难以满足使用要求，依靠促动器末端驱动量信息，通过正运动学求解平台位姿的方法往往更具应用前景。但是，三自由度并联平台正运动学求解的难点主要在于：并联机构正运动学无法直接求解，往往需通过逆解迭代或解析雅克比矩阵的方法求解，而在实际应用中机构驱动端输入量测量存在扰动，使得传统算法难以保证求解的准确性和稳定性；训练评估与反馈对平台位姿信息获取的实时性要求较高，需要正解求解算法快速收敛，而依据现有技术，三自由度转动曲柄连杆并联平台逆解模型依赖二元二次方程组建立，需要根据促动器相角范围判断可行解，这使得构建正运动学解析解的难度加大，迭代寻优法是正解模型构建的首选手段，但由于工程应用中对实时性的要求和测量误差的限制，亟需设计一种收敛讯速、精度高和抗扰能力强的寻优算法。
技术实现思路
本专利技术针对目前现有技术中的上述问题，提出一种适用于三自由度转动曲柄连杆并联平台的正解求解优化方法法，该方法基于三自由度转动曲柄连杆并联平台运动特性，以三转动促动器驱动量为输入，以平台旋转位姿为输出，具备收敛速度快，求解精度高，抗扰能力强的优势。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，包括以下步骤：S100、构建与平台位姿向量相关的目标函数和位姿向量矩阵，进行初始化，采用单纯型算法优化所述位姿向量矩阵；S200、约束位姿向量搜索边界，对优化获得的位姿向量矩阵中的位姿向量执行惩罚操作，剔除超出搜索边界的位姿向量；S300、搜索剩余的位姿向量对应的目标函数最小值，输出目标函数最小值对应的最优位姿向量。进一步地，所述S100中，根据三自由度转动曲柄连杆的机械结构和运动学逆解理论，建立逆解数学模型S＝inv(Pj)，其中，S为逆解得到的曲柄连杆促动器的角度变化量，Pj为平台位姿向量集，构建目标函数F(Pj)＝(inv(Pj)-S0)2，其中，S0为曲柄连杆促动器的角度变化量实测值。进一步地，所述S100中，任意选取平台上的至少三个点，以至少三个点的N组位姿向量参数为元素构建位姿向量矩阵，完成位姿向量矩阵初始化。进一步地，所述S200的具体步骤包括：S201、建立惩罚函数：其中，t为当前演替次数，代表第t次演替中的第j组，为原位姿向量，为演替后的位姿向量，Φmax为搜索上界，Φmin为搜索下界，由三自由度转动曲柄连杆并联机构的最大行程决定；S202、根据S201建立的惩罚函数，对位姿向量重新赋值。进一步地，所述S300之前还包括S210、执行回溯操作。进一步地，所述回溯操作的具体步骤包括：S211、对位姿向量进行逆解求解曲柄连杆促动器角度变化量，判断能否获得有效的角度变化量；S212、根据回溯函数：进行回溯操作，其中，k由逆解方程在实数域是否存在有效解决定，若通过逆解未获得到有效解，则取1，否则k取0；ξ为回溯系数，取值为1。进一步地，S300之后还包括步骤S400：判断S300中获得的位姿向量对应的目标函数值是否小于预设的最大允许误差值，如果是，则输出该位姿向量，得到最优解。进一步地，如果判断结果为否，则采用粒子群算法搜索全局后，返回S300。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的求解方法在粒子群算法基础上加入单纯形算法，并且采用惩罚函数算法，避免寻优过程超出边界，以解决机构极限行程外正解无解，致使搜索算法不收敛的情况，能够实现快速收敛；2、本专利技术的求解过程中通过对位姿向量逆解求解促动器的角度变化值，可避免位姿传感器的使用，并避免传感器数据传输线对并联平台运动范围的影响，具有强的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术的三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法流程图；图2为三自由度转动曲柄连杆并联平台的机械结构图，其中，A-动平台，B-定平台，e2-第三定杆，f2-第四定杆，b2-第二约束球铰，a2-第四定杆与第二促动器的连接点，c1-第一定杆与动平台A的连接点，c2-第三定杆与动平台的连接点，c3-第五定杆与动平台A的连接点，411-第七定杆，412-第八定杆，O1-第四约束球铰，2-第二促动器；图3为三自由度转动曲柄连杆与并联平台上各点在三自由度转动曲柄连杆并联平台坐标系中的位置示意图；图4为第二驱动支链和中间约束支链上各点在三自由度转动曲柄连杆并联平台坐标系以及建模坐标系中的位置示意图；图5为本专利技术的三自由度转动曲柄连杆并联平台另一位姿控制方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚，完整地描述。具体实施例1：结合图1～图4说明本实施例，三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，如图1所示，包括以下步骤：S100、构建与平台位姿向量相关的目标函数和位姿向量矩阵，进行初始化，采用单纯型算法优化所述位姿向量矩阵；S200、约束位姿向量搜索边界，对优化获得的位姿向量矩阵中的位姿向量执行惩罚操作，剔除超出搜索边界的位姿向量；S300、搜索剩余的位姿向量对应的目标函数最小值，输出目标函数最小值对应的最优位姿向量。惩罚函数算法的引入，避免寻优过程超出边界，以解决机构极限行程外正解无解，致使搜索算法不收敛的情况，能够实现快速收敛。在一个实施例中，S100中根据三自由度转动曲柄连杆的机械结构和运动学逆解理论，建立逆解数学模型，进而构建目标函数。例如，根据三自由度转动曲柄连杆的机械结构和运动学逆解理论，建立逆解数学模型S＝inv(Pj)，其中，S为逆解得到的曲柄连杆促动器的角度变化量，Pj为平台位姿向量集，如图2，三自由度转动曲柄连杆并联平台由动平台A、定平台B、三路驱动支链和中间约束支链构成。其中三路驱动支链包括第一驱动支链、第二驱动支链和第三驱动支链，第一驱动支链由第一定杆、第二定杆和第一约束球铰(图中未示出)组成，第二驱动支链由第三定杆e2、第四定杆f2和第二约束球铰b2组成，第三驱动支链由第五定杆定杆、第六定杆和第三约束球铰(图中未示出)组成，中间约束支链由第七定杆411、第八定杆412及第四约束球铰O1组成。第一定杆、第三定杆e2以及第五定杆与动平台A的连接点分别为c1、c2和c3；在图3或图4中，a1为第二定杆与第一促动器(图中未示出)的连接点，a2为第四定杆f2与第二促动器2的连接点，且为平台B上的点，a3为第六定杆与第三促动器(图中未示出)的连接点；定平台B固定不动，动平台A绕第四约束球铰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100、构建与平台位姿向量相关的目标函数和位姿向量矩阵，进行初始化，采用单纯型算法优化所述位姿向量矩阵；/nS200、约束位姿向量搜索边界，对优化获得的位姿向量矩阵中的位姿向量执行惩罚操作，剔除超出搜索边界的位姿向量；/nS300、搜索剩余的位姿向量对应的目标函数最小值，输出目标函数最小值对应的最优位姿向量。/n

【技术特征摘要】
1.三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、构建与平台位姿向量相关的目标函数和位姿向量矩阵，进行初始化，采用单纯型算法优化所述位姿向量矩阵；
S200、约束位姿向量搜索边界，对优化获得的位姿向量矩阵中的位姿向量执行惩罚操作，剔除超出搜索边界的位姿向量；
S300、搜索剩余的位姿向量对应的目标函数最小值，输出目标函数最小值对应的最优位姿向量。


2.根据权利1所述的三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，其特征在于，所述S100中，根据三自由度转动曲柄连杆的机械结构和运动学逆解理论，建立逆解数学模型S＝inv(Pj)，其中，S为逆解得到的曲柄连杆促动器的角度变化量，Pj为平台位姿向量集，构建目标函数F(Pj)＝(inv(Pj)-S0)2，其中，S0为曲柄连杆促动器的角度变化量实测值。


3.根据权利1所述的三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，其特征在于，所述S100中，任意选取平台上的至少三个点，以至少三个点的N组位姿向量参数为元素构建位姿向量矩阵，完成位姿向量矩阵初始化。


4.根据权利1所述的三自由度转动曲柄连杆并联平台位姿控制方法，其特征在于，所述S200的具体步骤包括：
S201、根据三自由度转动曲柄连杆并联机构的最大行程，定义搜索上界Φmax，搜...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹小涛，郭伟峰，赵伟国，王瀚，刘慧，朱明超，杨维帆，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22