机器人走柔性钢丝绳实验测试平台及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，包括左、右支撑架上的柔性钢丝绳牵拉机构，各柔性钢丝绳牵拉机构的十字轴的上、下轴端安装于十字轴竖轴架内，十字轴的左、右轴端安装于十字轴横轴架内，十字轴横轴架上安装有检测柔性钢丝绳拉力值并将其转化为柔性钢丝绳伸长量的拉力传感器；柔性钢丝绳拉紧在左、右拉力传感器之间；十字轴横轴架上设有检测其上、下摆动角度和速度的绝对编码器和增量编码器；十字轴竖轴架上设有检测十字轴横轴架左、右摆动角度和速度的绝对编码器和增量编码器。本发明专利技术通过编码器与拉力传感器实时反馈柔性钢丝绳的运动状态，为计算走钢丝机器人与柔性钢丝绳接触点的三维坐标、弹性势能等参数提供依据。

【技术实现步骤摘要】
机器人走柔性钢丝绳实验测试平台及测试方法
本专利技术涉及机器人
，具体为一种机器人走柔性钢丝绳实验测试平台及测试方法。
技术介绍
人类在高空上走钢丝是一种惊险、刺激的娱乐项目，可以给人们带来感官的愉悦和心灵的震撼。机器人走钢丝来源于用机器人模拟人类走钢丝的行为进行替代表演，其目的在于降低人类走钢丝表演的危险性。目前，大多数在钢丝上行走的机器人(即走钢丝机器人)，其基本原理是通过平衡调节机构，比如转杆，实现其本体在拉紧的柔性钢丝之上平衡行走。其中，机器人本体一般都会安装有陀螺仪、编码器等测控部件以便测量走钢丝机器人的姿态、速度等运动参数；而对于柔性钢丝的运动状态，由于测试的复杂度与难度，通常不会进行测量。在实际的走钢丝机器人平衡控制实践中，人们往往会忽略钢丝绳的柔性，仅仅把其当作是系统的一种微小的干扰。工程实践表明，这样的做法加大了走钢丝机器人平衡控制器设计的难度并影响控制的实际效果，尤其是在钢丝绳跨度增大柔性增加的时候问题更为突出。比较合理的处理方法是，将柔性钢丝绳的运动状态参数作为重要因素在机器人控制器中加以考虑并进行控制器设计。因此，实时反馈柔性钢丝绳的运动状态对于走钢丝机器人系统具有重要的理论意义与实践价值。然而，从目前的技术设备看，尚且没有专门的平台可以完成上述的工作，这在一定程度上限制了走钢丝机器人实验研究的开展。
技术实现思路
针对现有走钢丝机器人系统实验测试技术的不足，本专利技术有针对性的提出了一种机器人走柔性钢丝绳实验测试平台及测试方法。本专利技术机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，其技术方案包括左、右相同且对称的两个支撑架以及左、右相同且对称设于左、右支撑架上的钢丝绳牵拉机构，所不同的是：1、各钢丝绳牵拉机构包括十字轴，所述十字轴的上、下轴端通过上、下轴承座安装于十字轴竖轴架内，十字轴的左、右轴端通过左、右轴承座安装于十字轴横轴架内，所述十字轴横轴架上安装有检测柔性钢丝绳拉力值并将其转换为柔性钢丝绳伸长量的拉力传感器。2、左、右十字轴竖轴架固定安装于左、右支撑架上，所述柔性钢丝绳拉紧在左、右拉力传感器之间。3、所述十字轴横轴架上设有检测其上、下摆动角度的绝对编码器和检测其上、下摆动速度的增量编码器。4、所述十字轴竖轴架上设有检测十字轴横轴架左、右摆动角度的绝对编码器和检测十字轴横轴架左、右摆动速度的增量编码器。一种简单的结构方案为：左、右十字轴竖轴架为开口相对的U形竖框，所述十字轴的上、下轴端通过上、下轴承座安装于U形竖框的上、下框板上；左、右十字轴横轴架为开口相背的U形横框，左、右轴端于十字轴竖轴架外并通过左、右轴承座安装于U形横框的左、右框板上；左、右拉力传感器分别安装于左、右U形横框相对的框板上。本专利技术机器人走柔性钢丝绳测试方法，采用了上述机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，其测试步骤如下：步骤1、所述柔性钢丝绳左、右端的距离设为L，柔性钢丝绳的刚度系数设为K。①、将柔性钢丝绳拉紧并处于水平状态，在柔性钢丝绳上选取一点W，并测出点W与S1的距离位置为L1。②、将一质量为M的物体固定并悬挂在W点而使柔性钢丝绳产生变形，静止状态下的柔性钢丝绳只在Z轴方向产生变形，此时可通过左、右十字轴横轴架上的绝对编码器测得W点左、右两边柔性钢丝绳的变形角度θ1和θ2，已知一边L和两个角度θ1和θ2后，即可构造三角形S1S2P，可得三角形的三边长度分别为A、B、L。③、再对W点进行受力分析，重力Mg与W点左右两边的柔性钢丝绳的拉力平衡，而W点左、右两边的钢丝绳的拉力值可通过胡可定律表示为(A-L1)K、(B-(L-L1))K，根据平行四边形法则得出方程即可解得柔性钢丝绳(2)的刚度系数K，并将柔性钢丝绳(2)左、右端的拉力传感器(7)测得的数值D1与D2分别与(A-L1)K和(B-(L-L1))K进行比较验证。步骤2、无论走钢丝机器人是一点还是多点与柔性钢丝绳接触，由于走钢丝机器人的跨度相对L来说很小，所以均假设走钢丝机器人只有一点P与柔性钢丝绳接触。①、在S1处建立钢丝绳坐标系E1，在S2处建立钢丝绳坐标系E2，并且假设初始时，钢丝绳坐标系E1与钢丝绳坐标系E2均与大地坐标系E0平行，而大地坐标系E0的Y轴与柔性钢丝绳初始状态平行且Z轴与水平地面垂直。②、当走钢丝机器人在柔性钢丝绳上行走时，可通过左边十字轴竖轴架上绝对编码器测得钢丝绳坐标系E1绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q1，并通过左边十字轴横轴架上的绝对编码器测得钢丝绳坐标系E1绕大地坐标系E0的X轴旋转的角度Q2，同时可通过右边十字轴竖轴架上绝对编码器测得钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q3，并通过右边十字轴横轴架上的绝对编码器测得钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的X轴旋转的角度Q4。③、假设柔性钢丝绳始终处于拉紧状态并不会折叠，所以钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的Y轴旋转的角度为0，至此，钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2均完成了一次绕固定坐标系的旋转变换，由旋转变换公式RPY(α，β，γ)＝Rot(Z，γ)Rot(Y，β)Rot(X，α)可计算出钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2转动后的姿态矩阵和④、姿态矩阵R01和R02的第二列V1＝(-cosQ2sinQ1，cosQ1cosQ2，sinQ2)和V2＝(-cosQ4sinQ3，cosQ3cosQ4，sinQ4)即为变换后钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2的Y轴在大地坐标系E0下的方向向量，同时也是柔性钢丝绳变形后P点两边柔性钢丝绳的方向向量，另外，假设S1与S2的连线方向向量为V3＝(0，L，0)，显然，V3与V1和V2在同一平面，即可得到方程(V1×V2)·V3＝0，该方程中的Q1、Q2、Q3、Q4均为编码器测得的已知参数，所以该方程可用于验证作用。步骤3、假设S1与S2在大地坐标系E0下的坐标为(0，0，0)和(0，L，0)，P在大地坐标系E0下的坐标为(XP，YP，ZP)，因此可得P点两边柔性钢丝绳的方向向量在大地坐标系E0下也可表示为VV1＝(XP，YP，ZP)和VV2＝(-XP，L-YP，-ZP)，而柔性钢丝绳的运动状态分为四种：①、当Q1、Q2、Q3、Q4均不为0时，柔性钢丝绳在X轴与Z轴方向上均有变形。②、当Q1和Q3为0而Q2和Q4不为0时，即柔性钢丝绳在X轴方向上无变形，此时XP＝0，柔性钢丝绳只在Z轴方向变形。③、当Q2和Q4为0而Q1和Q3不为0时，即柔性钢丝绳在Z轴方向上无变形，此时ZP＝0，柔性钢丝绳只在X轴方向变形。④、当Q1、Q2、Q3、Q4均为0时，即柔性钢丝绳在X轴与Z轴方向上均无变形，此时XP＝0且ZP＝0，此状态由于柔性钢丝绳没有显示出柔性，所以无意义。当柔性钢丝绳处于①、②、③的运动状态时，因为VV1和V1是平行向量，VV2和V2也是平行向量，所以VV1中的三个向量分量与V1中对应的三个向量分量有着相同的比例关系，而VV2中的三个向量分量与V2中对应的三个向量分量也有着相同的比例关系，这样可写出方程组从而解得XP、YP、ZP，即得到了P在大地坐标系E0下的坐标，当柔性钢丝绳处于④的运动状态时，柔性钢丝绳没有显示出柔性，无需计算分析。步骤4、通过步骤3中得到的P在大地坐标系E0下的坐标(XP，YP，ZP)和S1与本文档来自技高网...

【技术保护点】
机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，包括左、右相同且对称的两个支撑架(1)以及左、右相同且对称设于左、右支撑架(1)上的柔性钢丝绳牵拉机构(12)，其特征在于：①、各柔性钢丝绳牵拉机构(12)包括十字轴(3)，所述十字轴(3)的上、下轴端通过上、下轴承座(4)安装于十字轴竖轴架(5)内，十字轴(3)的左、右轴端通过左、右轴承座(4)安装于十字轴横轴架(6)内，所述十字轴横轴架(6)上安装有检测柔性钢丝绳(2)拉力值并将其转化为柔性钢丝绳(2)伸长量的拉力传感器(7)；②、左、右十字轴竖轴架(5)固定安装于左、右支撑架(1)上，所述柔性钢丝绳(2)拉紧在左、右拉力传感器(7)之间；③、所述十字轴横轴架(6)上设有检测其上、下摆动角度的绝对编码器(8)和检测其上、下摆动速度的增量编码器(9)；④、所述十字轴竖轴架(5)上设有检测十字轴横轴架(6)左、右摆动角度的绝对编码器(8)和检测十字轴横轴架(6)左、右摆动速度的增量编码器(9)。

【技术特征摘要】
1.机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，包括左、右相同且对称的两个支撑架(1)以及左、右相同且对称设于左、右支撑架(1)上的柔性钢丝绳牵拉机构(12)，其特征在于：①、各柔性钢丝绳牵拉机构(12)包括十字轴(3)，所述十字轴(3)的上、下轴端通过上、下轴承座(4)安装于十字轴竖轴架(5)内，十字轴(3)的左、右轴端通过左、右轴承座(4)安装于十字轴横轴架(6)内，所述十字轴横轴架(6)上安装有检测柔性钢丝绳(2)拉力值并将其转化为柔性钢丝绳(2)伸长量的拉力传感器(7)；②、左、右十字轴竖轴架(5)固定安装于左、右支撑架(1)上，所述柔性钢丝绳(2)拉紧在左、右拉力传感器(7)之间；③、所述十字轴横轴架(6)上设有检测其上、下摆动角度的绝对编码器(8)和检测其上、下摆动速度的增量编码器(9)；④、所述十字轴竖轴架(5)上设有检测十字轴横轴架(6)左、右摆动角度的绝对编码器(8)和检测十字轴横轴架(6)左、右摆动速度的增量编码器(9)。2.根据权利要求1所述的机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，其特征在于：左、右十字轴竖轴架(5)为开口相对的U形竖框，所述十字轴(3)的上、下轴端通过上、下轴承座(4)安装于U形竖框的上、下框板上；左、右十字轴横轴架(6)为开口相背的U形横框，左、右轴端于十字轴竖轴架(5)外并通过左、右轴承座(4)安装于U形横框的左、右框板上；左、右拉力传感器(7)分别安装于左、右U形横框相对的框板上。3.机器人走柔性钢丝绳测试方法，其特征在于采用了如根据权利要求1或2的机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，其测试步骤如下：①、所述柔性钢丝绳(2)左、右端(S1、S2)的距离设为L，柔性钢丝绳(2)的刚度系数设为K；a、将柔性钢丝绳(2)拉紧并处于水平状态，在柔性钢丝绳(2)上选取一点W，并测出点W与S1的距离位置为L1；b、将一质量为M的物体固定并悬挂在W点而使柔性钢丝绳(2)产生变形，静止状态下的柔性钢丝绳(2)只在Z轴方向产生变形，此时可通过左、右十字轴横轴架(6)上的绝对编码器(8)测得W点左、右两边柔性钢丝绳(2)的变形角度θ1和θ2，已知一边L和两个角度θ1和θ2后，即可构造三角形S1S2P，可得三角形的三边长度分别为A、B、L；c、再对W点进行受力分析，重力Mg与W点左右两边的柔性钢丝绳(2)的拉力平衡，而W点左、右两边的钢丝绳(2)的拉力值可通过胡可定律表示为(A-L1)K、(B-(L-L1))K，根据平行四边形法则得出方程即可解得柔性钢丝绳(2)的刚度系数K，并将柔性钢丝绳(2)左、右端的拉力传感器(7)测得的数值D1与D2分别与(A-L1)K和(B-(L-L1))K进行比较验证；②、无论走钢丝机器人11是一点还是多点与柔性钢丝绳(2)接触，由于走钢丝机器人11的跨度相对L来说很小，所以均假设走钢丝机器人11只有一点P与柔性钢丝绳(2)接触；a、在S1处建立钢丝绳坐标系E1，在S2处建立钢丝绳坐标系E2，并且假设初始时，钢丝绳坐标系E1与钢丝绳坐标系E2均与大地坐标系E0平行，而大地坐标系E0的Y轴与柔性钢丝绳(2)初始状态平行且Z轴与水平地面垂直；b、当走钢丝机器人11在柔性钢丝绳(2)上行走时，可通过左边十字轴竖轴架(5)上绝对编码器8测得钢丝绳坐标系E1绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q1，并通过左边十字轴横轴架(6)上的绝对编码器8测得钢丝绳坐标系坐标系E1绕大地坐标系E0的X轴旋转的角度Q2，同时可通过右边十字轴竖轴架(5)上绝对编码器8测得钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q3，并通过右边十字轴横轴架(6)上的绝对编码器8测得钢丝绳坐标系E2绕大...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄用华，陈亚雄，庄未，钟艳如，黄美发，匡兵，孙永厚，刘夫云，钟永全，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45