一种绳索牵引并联机器人重构规划方法技术

本发明专利技术公开一种绳索牵引并联机器人重构规划方法，包括：步骤1，设定绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，分别建立动平台和单个绳索引出装置的动力学方程；步骤2，根据参数，建立与力可行工作空间对应的数学模型；步骤3，规划动平台轨迹并离散为动平台路径点集合，结合力可行工作空间对应的数学模型确定当前构型的力可行工作空间与动平台路径的关系；步骤4，判断是否有最优构型；步骤5，设置连续重构中使移动的绳索引出点数目最少的目标函数，求解出在连续重构中的绳索引出点位置序列，即完成对绳索牵引并联机器人的重构规划。该方法通过调整到最优构型和实行连续重构的方式进行规划重构，且移动的绳索引出点数目最少，节省能量。节省能量。节省能量。

【技术实现步骤摘要】
一种绳索牵引并联机器人重构规划方法


[0001]本专利技术涉及绳索牵引并联机器人领域，尤其涉及一种绳索牵引并联机器人重构规划方法。

技术介绍

[0002]绳索牵引并联机器人具有大工作空间、高载荷重量比、易于组装和布局等优势，但其固定的构型约束了机器人的性能，难以适应不同任务的需求。因此，研究人员设计出可重构的绳索牵引并联机器人，其通过改变绳索与固定框架连接点（称为绳索引出点）的位置增加任务适应性。目前，往往是通过优化得到目标构型后，在执行任务前通过人工操作实现重构，这种重新离线组装的方式阻碍了任务的执行和生产效率的提高。
[0003]中国专利技术专利申请202010192426.7和CN202010191743.7虽然公开了可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学优化求解方法，但无法解决机器人重构规划问题。中国专利技术专利申请201910523043.0公开了基于强化学习算法的异构模块化机器人自重构规划方法，但绳索牵引并联机器人采用绳索驱动，而绳索拉力具有单向性，适合模块化机器人的重构规划无法应用到绳索牵引并联机器人中。此外，在连续重构过程中需要不断调整所有绳索引出点的位置，不仅增加了能量消耗，也增加了与障碍物碰撞的风险，因此，在满足任务要求的情况下，如何在连续重构过程中使需要移动的绳索引出点的数目最少也是一个需要关注的问题，但目前缺乏这种有效的绳索牵引并联机器人重构规划方法。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供了一种绳索牵引并联机器人重构规划方法，能规划绳索引出点的位置实现绳索牵引并联机器人重构，并在连续重构过程中使需要移动的绳索引出点的数目最少，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0006]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提供一种绳索牵引并联机器人重构规划方法，包括：步骤1，设定待重构规划的绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，根据设定的坐标系和参数分别建立绳索牵引并联机器人的动平台的动力学方程和单个绳索引出装置的动力学方程；步骤2，根据所述绳索牵引并联机器人的参数，建立与该绳索牵引并联机器人的力可行工作空间对应的数学模型；步骤3，规划动平台轨迹并离散为动平台路径点集合，结合力可行工作空间对应的数学模型确定所述绳索牵引并联机器人的当前构型的力可行工作空间与动平台路径的关系，根据力可行工作空间对应的所述数学模型判断当前构型的力可行工作空间是否完全包含动平台路径，若是，则确定不需要调整构型，结束规划；若否，则确定触发重构，执行步骤4；
步骤4，判断所述绳索牵引并联机器人是否有最优构型，若是，则规划结束；若否，则执行步骤5；步骤5，设置连续重构中使移动的绳索引出点数目最少的目标函数，求解出所述绳索牵引并联机器人在连续重构中的绳索引出点位置序列，即完成对所述绳索牵引并联机器人的重构规划。
[0007]与现有技术相比，本专利技术所提供的绳索牵引并联机器人重构规划方法，其有益效果包括：通过确定绳索牵引并联机器人的力可行工作空间与动平台路径的关系，以当前构型的力可行工作空间不能完全包含动平台路径作为绳索牵引并联机器人重构的触发条件；在触发重构时，该方法优先寻找最优构型，绳索引出点无需拆卸、安装便可自动移动到最优位置，此后动平台运动时绳索引出点的驱动电机位于锁死状态，不消耗额外的能量；当最优构型无法满足任务时实行连续重构，在动平台运动时自动完成构型重构，动态调整力可行工作空间的范围，使动平台的路径一直位于力可行工作空间中，并且在连续重构过程中，该方法能够使移动的绳索引出点的数目最少及计算其对应的移动距离，节省了能量。
附图说明
[0008]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0009]图1为本专利技术实施例提供的绳索牵引并联机器人重构规划方法的流程图。
[0010]图2为本专利技术实施例提供的绳索牵引并联机器人重构规划方法的具体流程图。
[0011]图3为本专利技术实施例提供的绳索牵引并联机器人的结构示意图。
[0012]图4为本专利技术实施例提供绳索牵引并联机器人的动平台直线任务路径场景示意图。
[0013]图中各标记对应的部件名称为：11
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固定框架；12
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绳索引出装置，121
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导引滑轮，122
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滑块；13
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绳索；14
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动平台；15
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驱动丝杠的电机；16
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驱动卷筒的电机；17
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卷筒；18
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竖直丝杠。
具体实施方式
下面结合本专利技术的具体内容，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0014]首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
[0015]术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部
件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
[0016]术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
[0017]除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
[0018]当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绳索牵引并联机器人重构规划方法，其特征在于，包括：步骤1，设定待重构规划的绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，根据设定的坐标系和参数分别建立绳索牵引并联机器人的动平台的动力学方程和单个绳索引出装置的动力学方程；步骤2，根据所述绳索牵引并联机器人的参数，建立与该绳索牵引并联机器人的力可行工作空间对应的数学模型；步骤3，规划动平台轨迹并离散为动平台路径点集合，结合力可行工作空间对应的数学模型确定所述绳索牵引并联机器人的当前构型的力可行工作空间与动平台路径的关系，根据力可行工作空间对应的所述数学模型判断当前构型的力可行工作空间是否完全包含动平台路径，若是，则确定不需要调整构型，结束规划；若否，则确定触发重构，执行步骤4；步骤4，判断所述绳索牵引并联机器人是否有最优构型，若是，则规划结束；若否，则执行步骤5；步骤5，设置连续重构中使移动的绳索引出点数目最少的目标函数，求解出所述绳索牵引并联机器人在连续重构中的绳索引出点位置序列，即完成对所述绳索牵引并联机器人的重构规划。2.根据权利要求1所述的绳索牵引并联机器人重构规划方法，其特征在于，所述步骤1中，按以下方式设定重构规划的绳索牵引并联机器人的坐标系和参数，根据设定的坐标系和参数分别建立绳索牵引并联机器人的动平台的动力学方程和单个绳索引出装置的动力学方程，包括：设定待重构规划的绳索牵引并联机器人的全局坐标系的原点位于该绳索牵引并联机器人的固定框架的地面上，将所述绳索牵引并联机器人的绳索引出点的位置向量用表示，，为绳索引出点的个数，也为绳索的个数，所述绳索牵引并联机器人的动平台位置向量用表示，所述绳索牵引并联机器人的绳索的方向向量为，建立所述绳索牵引并联机器人的动平台的动力学方程和单个绳索引出装置的动力学方程；所述动平台的动力学方程为：（1）；所述式（1）中，为所述绳索牵引并联机器人对应的结构矩阵，；为所述绳索牵引并联机器人的绳索拉力向量；为所述绳索牵引并联机器人的动平台质量；为所述绳索牵引并联机器人的动平台加速度；，为重力加速度；所述单个绳索引出装置的动力学方程为：（2）；所述式（2）中，为所述绳索牵引并联机器人的绳索引出装置的轴向驱动力；为所述绳索牵引并联机器人的绳索拉力；；为所述绳索牵引并联机器人的绳索引
出装置的重量；为重力加速度；为所述绳索牵引并联机器人的绳索引出装置的加速度。3.根据权利要求2所述的绳索牵引并联机器人重构规划方法，其特征在于，所述步骤2中，建立的数学模型为：（3）；所述式（3）中，为所述绳索牵引并联机器人对应的结构矩阵，；为所述绳索牵引并联机器人的绳索拉力向量；为所述绳索牵引并联机器人的动平台所受合外力；为所述绳索拉力向量的下限，其分量都设置为10N；为所述绳索拉力向量的上限，其分量都设置为200N。4.根据权利要求3所述的绳索牵引并联机器人重构规划方法，其特征在于，所述步骤3中，按以下方式规划动平台轨迹并离散为动平台路径，结合力可行工作空间对应的数学模型确定所述绳索牵引并联机器人当前构型的力可行工作空间与动平台路径的关系，包括：在时间内采用轨迹规划算法规划动平台路径得到轨迹 ，，将所述轨迹 ， 根据给定时间步长离散化为动平台路径点集合，，为的整数倍；将力可行工作空间对应的所述数学模型式（3）采用移动超平面法转化为不等式：（4）；所述式（4）中，矩阵和向量通过移动超平面法根据所述绳索牵引并联机器人对应的结构矩阵、绳索拉力向量的上限、绳索拉力向量的下限获得；按以下方式根据力可行工作空间对应的所述数学模型判断所述绳索牵引并联机器人当前构型的力可行工作空间是否完全包含动平台路径，包括：判断动平台路径点集合中每一个路径点是否都满足所述不等式（4），如果满足，则确定所述绳索牵引并联机器人当前构型的力可行工作空间完全包含动平台路径，不需要调整构型；如果不满足，则确定所述绳索牵引并联机器人当前构型的力可行工作空间不能完全包含动平台路径，则触发重构。5.根据权利要求4所述的绳索牵引并联机器人重构规划方法，其特征在于，所述步骤4中，按以下方式判断所述绳索牵引并联机器人是否有最优构型，包括：设定所述绳索牵引并联机器人的绳索引出点的位置位于位置上下限之间：（5）；所述式（5）中，位置下限；位置上限；
设置第一目标函数为：（6）；所述式（6）中，为使动平台远离力可行工作空间边界的容量裕度指标；通过罚函数法将所...

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