一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法技术

本发明专利技术公开了一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法。首先，利用基于奇异值的运动学分析方法对支链驱动并联机构的所有机构末端位姿进行可达性判断，获得支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿；接着，基于螺旋理论与虚功原理，获得机构的完全雅可比矩阵和全刚度矩阵，计算支链驱动并联机构的所有机构末端位姿的刚度性能参数，获得所有机构末端位姿对应的刚度性能参数；最后，根据可达工作空间中的末端位姿，结合所有机构末端位姿对应的刚度性能参数，筛选获得最优位姿集。本发明专利技术不仅可量化评价获得最优位姿集，还可以通过比较不同构型机构的最优位姿集，实现满足需求的创新型机构概念设计。满足需求的创新型机构概念设计。满足需求的创新型机构概念设计。

【技术实现步骤摘要】
一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法


[0001]本专利技术涉及高端装备的机器人
的并联机构设计方法，具体涉及一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法。

技术介绍

[0002]并联机构区别于串联机构，拥有传动链短、杆件较少、比刚度高、控制可行等特点，因此广泛应用于机器人领域和支撑结构中。因支链驱动的并联机构机器人具有在相对逼仄空间进行主动控制位姿的能力，可广泛应用于航空航天、工业流水线、现代物流业和康复医疗等领域。
[0003]以康复医疗领域为例，全球关节失能者逐年递增，对人体关节使能机构设计提出了更高要求，将并联机构应用在关节康复中，可得到精度高、相对刚度高的关节康复机构，例如支链驱动并联式机构产品。然而，当前设计通常依据现有产品进行逆向工程和类比设计，而从设计需求出发的产品谱系正向设计还有一定难度，重要原因在于缺乏精准的量化评价方法。而对于复杂机械运动系统而言，如何从需求出发，正向评估概念设计机构的性能，筛选出具有出色运动学和动力学性能的结构类型，进而量化评价挑选出更多合适的位姿构型，再加以机械阻抗传动控制，以使其具有普适性，有助于患者进行康复训练等，是具有重要研究意义的。
[0004]美国普渡大学的研究员(Bi Z M.Design of a spherical parallel kinematic machine for ankle rehabilitation[J].Advanced Robotics,2013,27(2):121
‑
132)对球形并联机构PKM进行自由度计算、正逆向运动学分析，从而确定机构的工作空间，并通过推导评估灵巧性的雅可比矩阵，验证运动学解的正确性。
[0005]英国诺丁汉大学的研究员(Russo M,Ceccarelli M.Analysis of a wearable robotic system for ankle rehabilitation[J].Machines,2020,8(3):48
‑
63)对设计的S
‑
4SPS并联机构进行运动学和静态分析，评估机构运动范围方面的可行性和使用者踝关节上的负载，并通过数值仿真模型验证分析结果的正确性。
[0006]因此，一个性能优异的机构可以有效提高运动工作时的位姿选取范围，而且不同的位姿与机构性能之间也存在耦合，因此需要选择性能较好的机构并且选择较优位姿后才能发挥支链驱动并联机构的最优性能，才能提升机器人装备的最终效果。

技术实现思路

[0007]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]步骤一：利用基于奇异值的运动学分析方法对支链驱动并联机构的所有机构末端位姿进行可达性判断，获得支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿；
[0010]步骤二：计算支链驱动并联机构的所有机构末端位姿的刚度性能参数，获得所有
机构末端位姿对应的刚度性能参数；
[0011]步骤三：根据可达工作空间中的末端位姿，结合所有机构末端位姿对应的刚度性能参数，综合量化奇异度与刚度，筛选获得最优位姿集。
[0012]所述步骤一具体为：
[0013]S11：对支链驱动并联机构的所有机构末端位姿进行连续逆向运动学分析，获得机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系；
[0014]S12：对机构支链运动参数进行连续正向运动学分析，获得机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系；
[0015]S13：根据机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系、机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系，对所有机构末端位姿进行基于奇异值的可达性判断，获得支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿。
[0016]所述S13具体为：
[0017]S131：将机构末端的多个转角中的一个转角作为基准转角；
[0018]S132：根据机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系、机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系计算相同基准转角下的各机构末端位姿对应的条件数，根据条件数对基准转角在当前取值下的各机构末端位姿进行可达性判断，获得基准转角在当前取值下转角下的可达末端位姿；
[0019]S133：改变基准转角的取值，重复S132，获得基准转角在不同取值下的可达末端位姿，直至获得基准转角在取值范围中的所有可达末端位姿并作为支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿。
[0020]所述S132中，每个所述机构末端位姿的条件数C是通过以下公式计算获得：
[0021][0022]其中，σ
max
(J)为机构雅可比矩阵J的最大奇异值，σ
min
(J)为机构雅可比矩阵J的最小奇异值，R
+
表示实数集。
[0023]所述S132中，根据“3σ准测”剔除条件数为异常的机构末端位姿后，再确定基准转角在当前取值下各机构末端位姿的条件数中值并作为判断阈值，将条件数小于判断阈值的机构末端位姿记为可达末端位姿并放入可达工作空间中。
[0024]所述步骤二具体为：
[0025]S21：基于螺旋理论确定每个机构末端位姿的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵，进而获得完全雅可比矩阵；
[0026]S22：计算支链驱动并联机构中各支链的刚度，再基于各支链的刚度和完全雅可比矩阵对支链驱动并联机构进行力学分析，结合虚功原理，得到支链驱动并联机构在当前机构末端位姿下的全刚度矩阵；
[0027]S23：根据支链驱动并联机构在当前机构末端位姿下的全刚度矩阵计算获得当前机构末端位姿的刚度性能参数；
[0028]S24：重复S21
‑
S23，计算获得所有机构末端位姿对应的刚度性能参数。
[0029]所述S23中，当前机构末端位姿的刚度性能参数包括支链驱动并联机构在当前机构末端位姿下的全刚度矩阵的最小特征值K
min
、最大特征值K
max
以及刚度特异度KSI，其中刚
度特异度KSI的计算公式为：
[0030][0031]本专利技术的有益效果是：
[0032](1)本专利技术选用具备冗余驱动自由度的并联机构，相比于常规的并联机构，冗余驱动自由度提高了系统的可靠性、精度、响应速度，增加系统灵活性，契合实际的运动调姿需求。
[0033](2)引入螺旋理论进行刚度计算，旋量法能更简洁、准确的获得驱动端机械链的刚度计算结果，可以用于局部机械链的刚度量化评价与优化。
[0034](3)本专利技术进行了机构工作空间内各位姿的运动以及刚度性能的定量化确定，可为连续运动的律动控制奠定基础。
[0035]本专利技术能有效筛选运动性能与刚度性能均优异的位姿，还可以通过比较不同构型机构的最优位姿集，选取满足需求的机构构型，从而提高实际多轴联动空间调姿的效果。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用基于奇异值的运动学分析方法对支链驱动并联机构的所有机构末端位姿进行可达性判断，获得支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿；步骤二：计算支链驱动并联机构的所有机构末端位姿的刚度性能参数，获得所有机构末端位姿对应的刚度性能参数；步骤三：根据可达工作空间中的末端位姿，结合所有机构末端位姿对应的刚度性能参数，综合量化奇异度与刚度，筛选获得最优位姿集。2.根据权利要求1所述的一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法，其特征在于，所述步骤一具体为：S11：对支链驱动并联机构的所有机构末端位姿进行连续逆向运动学分析，获得机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系；S12：对机构支链运动参数进行连续正向运动学分析，获得机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系；S13：根据机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系、机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系，对所有机构末端位姿进行基于奇异值的可达性判断，获得支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿。3.根据权利要求2所述的一种支链驱动并联机器人概念构型的空间姿态评价方法，其特征在于，所述S13具体为：S131：将机构末端的多个转角中的一个转角作为基准转角；S132：根据机构末端位姿到机构支链运动参数的映射关系、机构支链运动参数到机构末端位姿的映射关系计算相同基准转角下的各机构末端位姿对应的条件数，根据条件数对基准转角在当前取值下的各机构末端位姿进行可达性判断，获得基准转角在当前取值下转角下的可达末端位姿；S133：改变基准转角的取值，重复S132，获得基准转角在不同取值下的可达末端位姿，直至获得基准转角在取值范围中的所有可达末端位姿并作为支链驱动并联机构在可达工作空间中的末端位姿。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬华，何明谕，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：