规避并联机构运动奇异的免奇异输入参数取值空间方法技术

一种规避并联机构运动奇异的免奇异输入参数取值空间方法，属于机器人机构学领域中并联机构运动奇异规避技术。该规避并联机构运动奇异的方法主要包括：构造以输入参数为坐标轴全部的并联机构奇异位置空间分布曲面；作这些空间分布曲面的内接包络曲面，得到免奇异输入参数取值空间分布曲面；在免奇异输入参数取值空间分布曲面内，选择恰当的工作点，并确定满足工作要求的各输入参数的取值范围；使各输入参数取值范围位于免奇异输入参数取值空间分布曲面之内，在设计阶段消除并联机构的运动奇异。本发明专利技术方法简单、通用、易于实现，能够直接应用于在设计阶段消除并联机构整体工作空间的运动奇异，在控制阶段防止并联机构陷入运动奇异状态。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种，属于机器人机构学领域中并联机构运动奇异规避技术。该规避并联机构运动奇异的方法主要包括：构造以输入参数为坐标轴全部的并联机构奇异位置空间分布曲面；作这些空间分布曲面的内接包络曲面，得到免奇异输入参数取值空间分布曲面；在免奇异输入参数取值空间分布曲面内，选择恰当的工作点，并确定满足工作要求的各输入参数的取值范围；使各输入参数取值范围位于免奇异输入参数取值空间分布曲面之内，在设计阶段消除并联机构的运动奇异。本专利技术方法简单、通用、易于实现，能够直接应用于在设计阶段消除并联机构整体工作空间的运动奇异，在控制阶段防止并联机构陷入运动奇异状态。【专利说明】
本专利技术涉及一种规避并联机构运动奇异的方法，特别是一种。
技术介绍
运动奇异是并联机构的固有特性。与串联机构运动奇异多发生在边界不同，并联机构的运动奇异主要发生在工作空间内部，突出特征为:锁定驱动器长度，动平台依然可以获得一个或几个自由度，动平台失控，其载荷能力急剧下降。并联机构的运动奇异严重制约了其在重大工程，如航空航天等领域的应用。因此，消除运动奇异对并联机构的影响，对于改善并联机构性能，拓展其应用领域，具有重要的价值。为了克服运动奇异对并联机构性能和工作空间带来的消极影响，人们提出了规避并联机构运动奇异的冗余构件方法、路径规划方法、传感测度方法和扰动函数方法等。Mohamed和 Gosselin 在 2005 年 IEEE Transactions on Robotics, 21 (3):277-287 文中，提出了一种规避并联机构运动奇异的冗余构件方法。通过添加运动冗余构件或驱动器冗余构件，改变原并联机构的局部奇异位置分布形态，实现局部工作空间的奇异运动规避。但由于冗余构件的引入，使并联机构运动学问题的求解变得异常困难，而利用驱动器冗余构件规避并联机构运动奇异，当运动副存在间隙和驱动器存在执行误差时，导致并联机构出现极大的内应力。特别是，一个冗余驱动只能解决某一奇异构型附近的运动奇异规避问题，而不能解决整体工作空间内所有奇异构型处的运动奇异规避问题。Dasgupta和Mruthyunjaya基于机器人路径规划原理，在 1998 年 Mechanism and Machine Theory, 33 (6): 711-725 文中，给出了一种在工作空间内构造一条免奇异路径的方法。但当工作空间不存在连通的免奇异空间时，所提出的路径规划方法不能构造出一条免奇异路径，方法失效。为在控制阶段防止并联机构陷入运动奇异状态，Ranganath等在2004年Mechanism and Machine Theory,39(9):971-998 文中，给出了一种传感测度方法。通过在并联机构连杆上加装力/力矩传感器，预测并联机构当前位置与奇异位置的接近程度，防止并联机构陷入奇异运动状态。由于传感信息与奇异位置的关系非常复杂，当传感信息设定值较大时，在并联机构铰链间隙的影响下，很容易导致并联机构陷入运动奇异状态；而当传感信息设定值较小时，又很容易造成误判，导致工作空间的非连续。Wang等在2008年ASME Journal of Mechanical Design, 130 (5): 052305-1-8 文中提出的扰动函数方法，虽可解决并联机构在奇异位置处的运动奇异规避问题，但由于扰动函数构造异常复杂，且仅针对一个奇异位置，造成该方法的通用性较差，很难在控制阶段具体应用。尽管人们，如St-0nge、Bandyopadhyay、Huang等给出了以位姿参数描述的并联机构奇异位置空间分布模型。但由于该类空间分布模型不能降维，须假定某些位姿参数取值，才能得到直观的空间分布模型，如三维空间分布模型。类似地，Jiang和Gosselin在2008年ASME Journal of Mechanical Design, 130 (11): 112304-1-8文中，绘出了给定三个方向位姿参数由三个位置位姿参数描述的免奇异空间。对于该类由位姿参数描述的奇异位置空间分布模型，或免奇异空间，当假定条件发生变化时，分布模型也随之发生变化，尤其是，因动平台位姿监控和测量存在巨大的困难，以及该类分布模型或免奇异空间与并联机构输入参数无关等原因，使得该类分布模型不能直接用于在设计阶段和控制阶段消除或防止并联机构的运动奇异。Liu等在2006年Mechanism and Machine Theory,41 (5): 145-169文中，通过假定平面5R机构尺度之间的特殊关系，给出了不同机构尺度区间奇异轨迹特征图谱。因其仅为机构奇异轨迹特征的近似描述，以及奇异轨迹特征图谱内部存在非连通区域等，所给出的奇异轨迹特征图谱不能解决并联机构运动奇异的消除问题，特别是，对于较为复杂的并联机构，获得该类奇异轨迹特征图谱是异常复杂和不现实的。基于Mathematica数学工具中的 3D 曲面绘图命令,Wang和 Li 在 2011 年Proc.1MechE Part C: J.Mechanical EngineeringScience, 225 (I):204-215文中，绘出了以输入参数为坐标轴的奇异位置空间分布曲面。由于奇异方程是关于输入参数的高维方程，对于同一组输入参数，有若干组奇异位置解，因此，奇异位置的空间分布应为空间多曲面分布方式，即不仅一个空间分布曲面，而是多个空间分布曲面。由于Mathematica中的3D曲面绘图命令仅能绘出其中一个空间分布曲面，且不能保证所绘出的奇异位置空间分布曲面内部不再存在其他奇异位置分布曲面，因此，该文所给出的以输入参数为坐标轴的奇异位置空间分布曲面，不能用于设计阶段和控制阶段消除或防止并联机构的运动奇异。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有规避并联机构运动奇异方法存在的不足，提供一种简单通用的、能够在设计阶段和控制阶段有效规避并联机构在整体工作空间运动奇异的方法。本专利技术的目的是这样实现的:构建以输入参数为坐标轴全部的并联机构奇异位置空间分布曲面；作这些空间分布曲面的内接包络曲面，得到免奇异输入参数取值空间分布曲面；在免奇异输入参数取值空间分布曲面内，选择恰当的工作点，并根据并联机构的工作要求，确定满足工作要求的各输入参数的取值范围；校验符合并联机构工作要求的各输入参数的取值范围，是否全部位于免奇异输入参数取值空间分布曲面之内，如果是，则在设计阶段消除并联机构的运动奇异；当存在满足工作要求的输入参数取值范围超出免奇异输入参数取值空间分布曲面时，适当调整工作点，使其位于免奇异输入参数取值空间分布曲面之内。将满足工作要求的各输入参数取值范围作为免奇异输入参数取值空间，在控制阶段，通过检测各输入参数是否位于各自的免奇异取值空间，防止并联机构陷入奇异运动状态。具体实施过程为:⑴首先，建立包含全部输入参数的并联机构构型方程，根据奇异条件，得到由输入参数表达的奇异方程，其次，采用拓展方程方法(或同伦方法)等数值方法，从构建的由输入参数表达的奇异方程中，求出所有以输入参数表达的奇异位置，然后，连续改变输入参数的取值，得到一系列不同输入参数下所有对应的奇异位置，最后，在以输入参数为坐标轴的空间内，依次分别连接这些以输入参数表达的奇异位置点，得到以输入参数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种规避并联机构运动奇异的免奇异输入参数取值空间方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构建以输入参数为坐标轴全部的并联机构奇异位置空间分布曲面；第二步，作这些并联机构奇异位置空间分布曲面的内接包络曲面，得到免奇异输入参数取值空间分布曲面；第三步，在免奇异输入参数取值空间分布曲面内，选择恰当的工作点，并确定符合并联机构工作要求的各输入参数取值范围；第四步，校验符合并联机构工作要求的各输入参数的取值范围，是否全部位于免奇异输入参数取值空间分布曲面之内，如果是，则在设计阶段消除并联机构的运动奇异；第五步，当存在符合工作要求的输入参数取值范围超出免奇异输入参数取值空间分布曲面时，合理调整工作点，最终使各输入参数的取值范围全部落入免奇异输入参数取值空间分布曲面之内；第六步，将免奇异输入参数取值空间分布曲面内符合工作要求的输入参数取值范围，作为输入参数免奇异取值空间，用于控制过程中监控和防止并联机构陷入运动奇异状态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李雨桐，王玉新，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37