可变结构的绳索牵引并联机器人及其运动学多解求解方法技术

本发明专利技术公开了一种可变结构的绳索牵引并联机器人及其运动学多解求解方法，包括：相互独立的多条绳索牵引支链、结构框架和空间动平台；其中，四条绳索牵引支链分布设在结构框架内；空间动平台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；多条绳索牵引支链一一对应穿过空间动平台的多组万向牵引装置，将空间动平台牵引连接悬置于结构框架内，空间动平台能经多条绳索牵引支链牵引驱动调整在结构框架内的空间位置。通过设置相互独立的绳索牵引支链，能相互组合准确控制空间动平台发位置，通过将可变结构绳索牵引并联机器人的运动学求解方程区间化处理，利用区间分析方法来求解运动学模型反解，具有准确性高、计算精度高等优点。

Variable structure parallel robot with rope traction and its kinematics multi solution method

【技术实现步骤摘要】
可变结构的绳索牵引并联机器人及其运动学多解求解方法
本专利技术涉及绳索牵引并联机器人领域，尤其涉及一种可变结构的绳索牵引并联机器人及其运动学多解求解方法。
技术介绍
绳索牵引并联机器人具有负载能力强、运动惯量小以及工作空间大的特点，被广泛应用于大型设备吊装、航空仿真模拟支撑系统以及物流仓储等；传统绳索牵引并联机器人的绳索引出点固定在结构框架上，也可以称为固定结构绳索牵引并联机器人，这种固定结构绳索牵引并联机器人通过控制工作空间中的绳索长度来改变空间动平台的位置和姿态，从而实现完成各种复杂任务；但是受到固定结构的限制，固定结构绳索牵引并联机器人的应用范围受到限制、避障能力差以及力学特性差，从而制约了绳索牵引并联机器人的发展和进一步应用。专利号为201710253505.2的中国专利申请公开了一种多构型绳索驱动并联机器人及其空间位姿求解方法，该方案公开的多构型绳索驱动并联机器人，设置有多个绳索驱动装置、主体机架、动平台和若干绳索；该绳索牵引并联机器人能够实现多种构型可重构，但是无法实现连续自动可重构；其空间位姿求解方法也只能适用于这种多构型绳索牵引并联机器人，无法应用于其他连续可变结构的绳索牵引并联机器人。申请号为201110026500.9的中国专利申请公开了一种能够实现快速重构的绳索驱动并联机器人，该机器人设置有驱动模块、换向装置以及输出装置，但是该机器人仅能够实现有限范围内的可重构，重构过程必须手动进行，无法实现自动可重构。而且目前也没有有效的可变结构绳索牵引并联机器人运动学多解求解方法，无法为可变结构绳索牵引并联机器人的运动规划和运动控制提供技术支持。
技术实现思路
基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种可变结构的绳索牵引并联机器人及其运动学多解求解方法，能解决现有的绳索驱动并联机器人，均存在无法实现连续自动可重构及进行有效的运动学多解求解的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术实施方式一种可变结构绳索牵引并联机器人，包括：相互独立的多条绳索牵引支链、结构框架和空间动平台；其中，所述四条绳索牵引支链分布设在所述结构框架内；所述空间动平台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；所述多条绳索牵引支链一一对应穿过所述空间动平台的多组万向牵引装置，将所述空间动平台牵引连接悬置于所述结构框架内，所述空间动平台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、一个直线移动装置、一个第一万向导引装置、一个第二万向导引装置和一根绳索；其中，所述高精度绳索牵引装置设置在所述结构框架的底部；所述第一万向导引装置设置在所述结构框架的上部，处于所述高精度绳索牵引装置的上方；所述直线移动装置设置在所述结构框架内的上部，处于所述第一万向导引装置的上方；所述第二万向导引装置设置在所述直线移动装置上，能经所述直线移动装置驱动上下移动；所述直线移动装置上设有能驱动进行上下移动的绳索锚定点；所述绳索一端与所述高精度绳索牵引装置的牵引端固定连接，该绳索的另一端依次经过所述第一万向导引装置、所述第二万向导引装置两次改变牵引方向后，穿过所述空间动平台上对应的一组万向牵引装置再次改变牵引方向后与所述直线移动装置的绳索锚定点固定连接。本专利技术实施方式还提供一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学多解求解方法，用于本专利技术所述的可变结构绳索牵引并联机器人，包括以下步骤：步骤1，根据式(1)的所述可变结构绳索牵引并联机器人的单条绳索支链的约束方程li＝hi-p-Rbi，得出所有绳索牵引支链的绳索长度计算方程为：||li||2＝(hi-p-Rbi)T(hi-p-Rbi),i＝1,2,…,m(2)；所述式(1)中，li表示可变结构绳索牵引并联机器人的工作空间中绳索的向量，hi表示直线移动装置上的绳索牵引点在世界坐标系中的向量表示，p表示空间动平台在世界坐标系中的位置，R表示空间动平台在世界坐标系中的旋转矩阵，bi表示空间动平台上绳索连接点在动平台坐标系下的位置向量表示；所述式(2)中，||li||表示第i根绳索的长度，m表示所有绳索的数量；步骤2，约束单条绳索牵引支链上的直线移动装置中移动平台位置坐标为：hz,i+1＝hz,i+h0,i＝1,3,…,2j-1；其中，j表示第j条绳索牵引支链；hi表示每个直线移动装置上的一组万向导引装置；hz,i表示每个直线移动装置上的绳索锚定点；h0表示每个直线移动装置上的一组万向导引装置hi与绳索锚定点hz,i在Z轴方向上的已知距离；步骤3，通过以下式(3)计算理论绳索长度式(3)为：所述式(3)中，n表示绳索牵引支链的数目；步骤4，所述步骤3后使所述可变结构绳索牵引并联机器人约束方程的数目降低为n个，对约束方程进行区间求解，得到以下绳索长度误差计算式(4)，为：fj＝||li||+||li+1||-Lj,j＝1,2,…,n；i＝2j-1(4)所述式(4)中，Lj表示通过所述可变结构绳索牵引并联机器人的高精度绳索牵引装置的伺服电机的编码器获得的绳索实际长度；根据所述式(4)得到：f＝[f1f2…fn]T(5)；步骤5，将所述步骤4得到的式(5)的方程f对未知变量hz,i求偏导，计算区间雅克比矩阵为：步骤6，采用Hansen-Sengupta算子将所述步骤5得到的式(6)中的未知数hz的区间参数中的解记作迭代求解过程为：所述式(7)、(8)中，n，表示迭代待求解的未知数向量hz的区间表示，上标符号～均表示区间参数；表示第k次求解时的未知数的解；其中的i和j均表示雅克比矩阵的列向量和行向量序号，其他符号矩阵计算过程为：其中，C表示雅克比矩阵的逆的中值；步骤7，将求解的整个参数区间均匀等分为多个微小区间后存入存储列表T，最小解区间宽度记作D，区间范围精度预设为rad(D)＜10-3；设定参数hz解的存储列表解的结果区间列表解的区间结果为步骤8，如果存储列表进入步骤11；否则，从存储列表T中取微小区间进入步骤9；步骤9，按以下判定过程求解微小区间中是否存在解，所述判定过程为：如果将微小区间放进解的结果区间列表S末尾后，返回所述步骤8；否则，用所述步骤6的式(7)、(8)进行求解，完成求解后进入步骤10；步骤10，如果则求解结果为确认微小区间中不存在解，直接丢弃后返回所述步骤8；如果则该微小区间存在解返回所述步骤8；否则，将微小区间均分为两部分，分别记作和并存入存储列表T的末尾后，返回所述步骤8；步骤11，从解的结果区间列表S中取出检测是否满足所述可变结构的绳索牵引并联机器人的力可行约束条件，如果满足，则将放入解的存储列表Q后，进入步骤12；步骤12，如果解的结果区间列表输出解的存储列表Q后停止求解过程；否则返回所述步骤8。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变结构绳索牵引并联机器人，其特征在于，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，/n所述四条绳索牵引支链分布设在所述结构框架(1000)内；/n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)；/n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；/n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，/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可变结构绳索牵引并联机器人，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的可变结构绳索牵引并联机器人，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)。


3.根据权利要求1或2所述的可变结构绳索牵引并联机器人，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)的上端设有中空旋转轴，所述中空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)能经所述中空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)的中空旋转轴、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)。


4.根据权利要求1或2所述的可变结构绳索牵引并联机器人，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚伟伟，张飞，王晓燕，丛爽，李智军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34