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与流程

技术特征：

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：一个高精度绳索牵引装置(4000)、一个直线移动装置(2000)、第一万向导引装置(8000)、第二万向导引装置(3000)和一根绳索(7000)；其中，

所述高精度绳索牵引装置(4000)设置在所述结构框架(1000)的底部；

所述第一万向导引装置(3000)设置在所述结构框架(1000)的上部，处于所述高精度绳索牵引装置(4000)的上方；

所述直线移动装置(2000)设置在所述结构框架(1000)内的上部，处于所述第一万向导引装置(8000)的上方；

所述第二万向导引装置(3000)设置在所述直线移动装置(2000)上，能经所述直线移动装置(2000)驱动上下移动；

所述直线移动装置(2000)上设有能驱动进行上下移动的绳索锚定点；

所述绳索(7000)一端与所述高精度绳索牵引装置(4000)的牵引端固定连接，该绳索(7000)的另一端依次经过所述第一万向导引装置(8000)、所述第二万向导引装置(3000)两次改变牵引方向后，穿过所述空间动平台(6000)上对应的一组万向牵引装置(5000)再次改变牵引方向后与所述直线移动装置(2000)的绳索锚定点固定连接。

3.根据权利要求2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，所述每条绳索牵引支链中的直线移动装置(2000)包括：

机体支架(2201)、第一伺服电机(2202)、移动平台(2203)、直线导轨(2004)、丝杠(2005)、光电挡片(2006)、零点限位光电传感器(2207)和行程限位光电传感器(2008)；其中，

所述机体支架(2201)固定设置在所述结构框架(1000)上，所述机体支架(2201)上固定设置所述直线导轨(2004)，所述移动平台(2203)滑动设置在所述直线导轨(2004)上，所述丝杠(2005)与所述移动平台(2203)连接，所述第一伺服电机(2202)与所述丝杠(2005)连接，能经所述丝杠(2005)驱动所述移动平台(2203)沿所述直线导轨(2004)上下移动；

所述零点限位光电传感器(2207)与所述行程限位光电传感器(2008)分别固定设置在所述直线导轨(2004)的两端；

所述光电挡片(2006)固定设置在所述移动平台(2203)上，能在所述直线导轨(2004)运动到所述直线导轨(2004)端部时触发所述零点限位光电传感器(2207)或所述行程限位光电传感器(2008)；

所述移动平台(2203)上固定设置所述第二万向导引装置(8000)。

4.根据权利要求2或3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，所述每条绳索牵引支链中的所述第一万向导引装置(8000)和第二万向导引装置(3000)结构相同；

所述第二万向导引装置(3000)包括：旋转支架(3003)、导引摆头(3002)、滑轮(3001)、支架外壳(3004)、支架底座(3005)、支架固定螺母(3006)和轴承(3007)；其中，

所述旋转支架(3003)下端设置所述滑轮(3001)，所述滑轮(3001)上设置所述导引摆头(3002)；

所述旋转支架(3003)的上端设有旋转轴，所述旋转轴通过所述轴承(3007)设置在所述支架外壳(3004)内，所述旋转支架(3003)能经所述旋转轴在所述支架外壳(3004)上旋转；

所述支架外壳(3004)的顶部设置所述支架底座(3005)，所述支架底座(3005)上设有安装螺纹，通过所述安装螺纹与所述支架外壳(3004)固定连接；

所述支架底座(3005)上设有光孔和螺栓安装孔，所述光孔至所述旋转支架(3003)的旋转轴、所述滑轮和所述导引摆头(3002)形成导引所述绳索(7000)的导引通道；

所述支架外壳(3004)内的所述轴承(3007)上方设置所述支架固定螺母(3006)，所述支架固定螺母(3006)连接所述支架底座(3005)与安装支架(2300)。

5.根据权利要求2或3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，所述空间动平台(6000)上的一组万向牵引装置(5000)包括：

第一万向牵引装置和第二万向牵引装置；所述第二万向牵引装置与第一万向牵引装置上下间隔固定设置在所述空间动平台(6000)的一角处；

所述每条绳索牵引支链的绳索(7000)穿过所述空间动平台(6000)上对应的一组万向牵引装置(5000)再次改变牵引方向后与所述直线移动装置(2000)的绳索锚定点固定连接为：

绳索(7000)从下至上依次穿过一组万向牵引装置(5000)的第一万向牵引装置与第二万向牵引装置再次改变牵引方向后与所述直线移动装置(2000)的绳索锚定点固定连接。

6.根据权利要求5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，所述各组万向牵引装置(5000)中的第一万向牵引装置与第二万向牵引装置结构相同；

所述第一万向牵引装置包括：底座盖板(5001)、第二支架机体(5002)、第二旋转支架(5003)、第二滑轮(5004)、第二导引摆头(5005)和第二轴承(5006)；其中，

所述支架机体(5002)内设置所述第二轴承(5006)，该支架机体(5002)上端设置所述底座盖板(5001)；

所述第二旋转支架(5003)上端设有旋转轴，所述旋转轴通过所述第二轴承(5006)设置在所述支架机体(5002)，所述第二旋转支架(5003)能经所述旋转轴在所述支架机体(5002)上旋转；

所述第二旋转支架(5003)下端设置所述第二滑轮(5004)，所述第二滑轮(5004)上设置所述第二导引摆头(5005)；

所述支架机体(5002)的侧面设置安装座，所述安装座上设有螺栓定位安装孔；

所述支架机体(5002)上设有光孔和螺栓安装孔，所述光孔至所述第二旋转支架(5003)的旋转轴、所述第二滑轮(5004)和所述第二导引摆头(5005)形成导引所述绳索(7000)的导引通道。

7.根据权利要求6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，所述绳索(7000)穿过所述空间动平台(6000)上的一组万向牵引装置(5000)的第一万向牵引装置与第二万向牵引装置的中轴线。

技术总结
本发明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。

技术研发人员：尚伟伟;张飞;王晓燕;丛爽;李智军
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2020.03.18
技术公布日：2020.07.14