一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统，该方法包括：考虑最小化绳索长度误差，构建混合柔性机器人的正运动学模型，获取混合柔性机器人的末端位姿；构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量；构建混合柔性机器人的静力学分析模型，获取机器人的静力平衡条件；结合混合柔性机器人的末端位姿、广义关节角控制量和静力平衡条件，构建混合柔性机器人的工作空间，并根据工作空间对混合柔性机器人的工作状态进行控制。能够快速准确的完成同时需要大空间运动和局部精细操作的任务。本发明专利技术作为一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统，可广泛应用于混合柔性机器人技术领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及混合柔性机器人
，尤其涉及一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统。

技术介绍

[0002]绳驱并联机器人作为一种具有载重比高、工作空间大、移动范围广和安装配置简单的机器人，可用于解决要求响应快和空间广的各领域问题，被广泛应用于搜索援救、天文望远和高速工业作业等领域，但其存在末端不够灵活、工作空间边缘处绳索拉力超出限制等缺点。柔性机器人具有与环境交互作用力较低、臂型灵活等优点，但受限于固定的机器人基座，其工作空间有限。在灾难救援等场景中，常常涉及广阔空间搜寻和局部地点精细操作的过程，通过人力进行以上过程费时费力，效率低下，因此急需一种能替代人力，能迅速在空间中移动且在局部空间灵活操作的机器人，来解决该难题。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种混合柔性机器人的工作空间分析方法及系统，能够快速准确的完成同时需要大空间运动和局部精细操作的任务。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，包括以下步骤：
[0005]考虑最小化绳索长度误差，构建混合柔性机器人的正运动学模型，获取混合柔性机器人的末端位姿，所述混合柔性机器人包括柔性机械臂和绳驱并联机器人；
[0006]基于混合柔性机器人的末端位姿，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量；
[0007]构建混合柔性机器人的静力学分析模型，获取混合柔性机器人的静力平衡条件；
[0008]结合混合柔性机器人的末端位姿、广义关节角控制量和静力平衡条件，构建混合柔性机器人的工作空间，并根据所述工作空间对混合柔性机器人的工作状态进行控制。
[0009]进一步，所述考虑最小化绳索长度误差，构建混合柔性机器人的正运动学模型，获取混合柔性机器人的末端位姿这一步骤，其具体包括：
[0010]根据n个关节自由度的柔性机械臂的D
‑
H参数，构建n个关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系；
[0011]对n个关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系进行转换，构建n个相邻关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系的齐次变换矩阵；
[0012]根据链式法则，基于n个相邻关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系的齐次变换矩阵构建柔性机械臂的正运动学模型；
[0013]考虑最小化绳索长度误差问题，并通过Levenberg
‑
Marquardt优化方法对最小化绳索长度误差问题进行求解，构建绳驱并联机器人的正运动学模型；
[0014]通过计算柔性机械臂的末端坐标系到世界坐标系的齐次变换矩阵将柔性机械臂
的正运动学模型与绳驱并联机器人的正运动学模型进行结合，构建混合柔性机器人的正运动学模型并获取混合柔性机器人的末端位姿；
[0015]所述混合柔性机器人的末端位姿的计算公式为；
[0016]X
ee
＝HFK(l1,l2,
…
,l
m
,θ1,θ2,
…
,θ
n
,
pf
H
b
)＝HFK(Q2,
pf
H
b
)
[0017]上式中，l1,l2,
…
,l
m
表示各绳索的长度，θ1,θ2,
…
,θ
n
表示柔性机械臂各关节角度，
pf
H
b
表示柔性机械臂基座相对于动平台坐标系的齐次变换矩阵，HFK(
·
)表示混合柔性机器人正运动学函数，X
ee
表示混合柔性机器人的末端位姿。
[0018]进一步，所述最小化绳索长度误差问题的表达式具体如下所示：
[0019][0020]subject to L
i
＝PIK(p
i
,r
i
,X
pf
)
[0021]上式中，PIK(
·
)表示绳驱并联机器人的逆运动学函数，l
i
表示绳索长度观测值，X
pf
表示绳驱并联机器人的正运动学模型，‖L
i
‖2表示逆运动学求解所得的绳索向量模长，p
i
表示固定锚点座相对于世界坐标系的位置向量，r
i
表示动锚点座相对于动平台坐标系的位置向量，m表示绳索数量，i表示计数变量，i＝1,2,
…
,m。
[0022]进一步，所述混合柔性机器人的正运动学模型的表达式具体如下所示：
[0023]X
ee
＝HFK(l
i
,θ1,θ2,
…
,θ
n
,
pf
H
b
)＝HFK(Q1,
pf
H
b
)
[0024]上式中，X
ee
表示混合柔性机器人的末端位姿，HFK(
·
)表示混合柔性机器人逆运动学函数，θ1,θ2,
…
,θ
n
表示柔性机器人各关节的角度，l
i
表示绳索长度观测值，Q1表示混合柔性机器人的广义位姿，
pf
H
b
表示柔性机械臂基座相对于动平台坐标系的齐次变换矩阵。
[0025]进一步，所述基于混合柔性机器人的末端位姿，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量这一步骤，其具体包括：
[0026]基于混合柔性机器人的末端位姿，获取柔性机械臂的底座位姿与柔性机械臂关节角度之间的全解集集合；
[0027]根据预设的选取规则对全解集集合中的子集进行选取，确定最优柔性机械臂的底座位姿与最优柔性机械臂关节角度；
[0028]根据最优柔性机械臂的底座位姿与最优柔性机械臂关节角度，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量；
[0029]所述混合柔性机器人的逆运动学模型的表达式具体如下所示；
[0030](Q1,Q2)＝(L
i
,X
pf
,θ)＝HIK(p
i
,r
i
,X
ee
,
pf
H
b
)
[0031]上式中，Q2表示混合柔性机器人广义关节控制量，HIK(
·
)表示混合柔性机器人逆运动学函数，θ表示柔性机械臂关节角度，L
i
表示绳索向量。
[0032]所述混合柔性机器人的广义关节角控制量的表达式为；
[0033][0034][0035]上式中，Q1表示混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，其特征在于，包括以下步骤：考虑最小化绳索长度误差，构建混合柔性机器人的正运动学模型，获取混合柔性机器人的末端位姿，所述混合柔性机器人包括柔性机械臂和绳驱并联机器人；基于混合柔性机器人的末端位姿，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量；构建混合柔性机器人的静力学分析模型，获取混合柔性机器人的静力平衡条件；结合混合柔性机器人的末端位姿、广义关节角控制量和静力平衡条件，构建混合柔性机器人的工作空间，并根据所述工作空间对混合柔性机器人的工作状态进行控制。2.根据权利要求1所述一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，其特征在于，所述考虑最小化绳索长度误差，构建混合柔性机器人的正运动学模型，获取混合柔性机器人的末端位姿这一步骤，其具体包括：根据n个关节自由度的柔性机械臂的D
‑
H参数，构建n个关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系；对n个关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系进行转换，构建n个相邻关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系的齐次变换矩阵；根据链式法则，基于n个相邻关节的柔性机械臂D
‑
H坐标系的齐次变换矩阵构建柔性机械臂的正运动学模型；考虑最小化绳索长度误差问题，并通过Levenberg
‑
Marquardt优化方法对最小化绳索长度误差问题进行求解，构建绳驱并联机器人的正运动学模型；通过计算柔性机械臂的末端坐标系到世界坐标系的齐次变换矩阵将柔性机械臂的正运动学模型与绳驱并联机器人的正运动学模型进行结合，构建混合柔性机器人的正运动学模型并获取混合柔性机器人的末端位姿；所述混合柔性机器人的末端位姿的计算公式为；X
ee
＝HFK(l1,l2,
…
,l
m
,θ1,θ2,
…
,θ
n
,
pf
H
b
)＝HFK(Q2,
pf
H
b
)上式中，l1,l2,
…
,l
m
表示各绳索的长度，θ1,θ2,
…
,θ
n
表示柔性机械臂各关节角度，
pf
H
b
表示柔性机械臂基座相对于动平台坐标系的齐次变换矩阵，HFK(
·
)表示混合柔性机器人正运动学函数，X
ee
表示混合柔性机器人的末端位姿。3.根据权利要求2所述一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，其特征在于，所述最小化绳索长度误差问题的表达式具体如下所示：subject to L
i
＝PIK(p
i
,r
i
,X
pf
)上式中，PIK(
·
)表示绳驱并联机器人的逆运动学函数，l
i
表示绳索长度观测值，X
pf
表示绳驱并联机器人的正运动学模型，‖L
i
‖2表示逆运动学求解所得的绳索向量模长，p
i
表示固定锚点座相对于世界坐标系的位置向量，r
i
表示动锚点座相对于动平台坐标系的位置向量，m表示绳索数量，i表示计数变量，i＝1,2,
…
,m。4.根据权利要求3所述一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，其特征在于，所述混合柔性机器人的正运动学模型的表达式具体如下所示：X
ee
＝HFK(l
i
,θ1,θ2,
…
,θ
n
,
pf
H
b
)＝HFK(Q1,
pf
H
b
)
上式中，X
ee
表示混合柔性机器人的末端位姿，HFK(
·
)表示混合柔性机器人逆运动学函数，θ1,θ2,
…
,θ
n
表示柔性机器人各关节的角度，l
i
表示绳索长度观测值，Q1表示混合柔性机器人的广义位姿，
pf
H
b
表示柔性机械臂基座相对于动平台坐标系的齐次变换矩阵。5.根据权利要求4所述一种混合柔性机器人的工作空间分析方法，其特征在于，所述基于混合柔性机器人的末端位姿，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量这一步骤，其具体包括：基于混合柔性机器人的末端位姿，获取柔性机械臂的底座位姿与柔性机械臂关节角度之间的全解集集合；根据预设的选取规则对全解集集合中的子集进行选取，确定最优柔性机械臂的底座位姿与最优柔性机械臂关节角度；根据最优柔性机械臂的底座位姿与最优柔性机械臂关节角度，构建混合柔性机器人的逆运动学模型，获取混合柔性机器人的广义关节角控制量；所述混合柔性机器人的逆运动学模型的表达式具体如下所示；(Q1,Q2)＝(L
i
,X
pf
,θ)＝HIK(p
i
,r
i
,X
ee
,
pf
H
b
)上式中，Q2表示混合柔性机器人广义关节控制量，HIK(
·
)表示混合柔性机器人逆运动学函数，θ表示柔性机械臂关节角度，L
i
表示绳索向量；所述混合柔性机器人的广义关节角控制量的表达式为；所述混合柔性机器人的广义关节角控制量的表达式为；上式中，Q1表示混合柔性机器人的广义位姿，Q2表示混合柔性机器人的广义关节控制量，X
pf
＝[x
pf
,y
pf
,z
pf
,α
pf
,β

【专利技术属性】
技术研发人员：彭键清，郭永华，韩瑜，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：