CN111319028A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明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。

本发明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，用于本发明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l_i＝h_i-p-Rb_i，得出所有绳索牵引支链的绳索长度计算方程为：

||l_i||²＝(h_i-p-Rb_i)^T(h_i-p-Rb_i),i＝1,2,…,m (2)；

所述式(1)中，l_i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，h_i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，b_i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，||l_i||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：h_z,i+1＝h_z,i+h₀,i＝1,3,…,2j-1；其中，j表示第j条绳索牵引支链；h_i表示每个直线移动装置上的一组万向导引装置；h_z,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h_i与绳索锚定点h_z,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：

f_j＝||l_i||+||l_i+1||-L_j,j＝1,2,…,n；i＝2j-1 (4)

所述式(4)中，L_j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＝[f₁ f₂ … f_n]^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h_z,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h_z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h_z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h_z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。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的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，其有益效果为：

通过设置相互独立的多条绳索牵引支链，在每条绳索牵引支链上均设置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，能够连续和自动地完成变结构和空间动平台的运动，实现复杂环境下执行操作任务；通过对该机器人的运动学多解求解，能解决可变结构绳索牵引并联机器人的空间位置多解问题，为运动学控制控制和运动规划提供理论基础和方法基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的可变结构绳索牵引并联机器人总装配示意图；

图2为本发明实施例提供的四条绳索牵引支链组合的可变结构绳索牵引并联机器人示意图；

图3为本发明实施例提供的单条绳索牵引支链的侧视示意图；

图4为本发明实施例提供的单根绳索牵引支链的俯视示意图；

图5为本发明实施例提供的单根绳索牵引支链的主视示意图；

图6为本发明实施例提供的直线移动装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的高精度绳索牵引装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的万向牵引装置的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的万向导引装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的空间动平台的结构示意图；

图中各标记对应的部件名称为：

1000-结构框架；

2000-直线移动装置；2300-安装支架；2500-固定支架；2100-移动平台安装支架；2201-机体支架；2202-伺服电机；2203-移动平台；2004-直线导轨；2005-丝杠；2006-光电挡片；2207-零点限位光电传感器；2008-行程限位光电传感器；

3000-第二万向导引装置；3001-滑轮；3002-导引摆头；-旋转支架3003；3004-支架外壳；3005-支架底座；3006-支架固定螺母；3007-轴承；

4000-高精度绳索牵引装置；4001-伺服电机；4002-减速机；4003-联轴器；4004-支架总成；4005-卷筒；4006-移动滑台；4007-拉力传感器；4008-滑轮旋转支架；4009-导引摆头；4010-底座安装支架；4011-牵引丝杠；4012-主动同步带轮；4013-从动同步带轮

5000-万向牵引装置；5001-底座盖板；5002-支架机体；5003-旋转支架；5004-滑轮；5005-导引摆头；5006-轴承；

6000-空间动平台；

7000-绳索；

8000-第一万向导引装置

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1至图5所示，本发明实施例提供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8000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。

如图6所示，上述机器人中，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3000。

如图8所示，上述机器人中，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。

如图7所示，上述机器人中，每条绳索牵引支链中的所述高精度绳索牵引装置包括：

第二伺服电机4001、减速机4002、联轴器4003、支架总成4004、卷筒4005、移动滑台4006、拉力传感器4007、滑轮旋转支架4008、导引摆头4009、底座安装支架4010、牵引丝杠4011、主动同步带轮4012和从动同步带轮4013；其中，

所述支架总成4004经所述底座安装支架4010固定设置在所述结构框架1000内底部；

所述第二伺服电机4001依次经所述减速机4002和联轴器4003与所述支架总成4004内设置的所述卷筒4005连接，能驱动所述卷筒4005在所述支架总成4004内转动；

所述支架总成4004内的所述卷筒4005上方设置所述牵引丝杠4011，所述牵引丝杠4011的前端设置所述从动同步带轮4013；

所述卷筒4005的前端设有与所述从动同步带轮4013啮合连接的所述主动同步带轮4012，能经所述从动同步带轮4013驱动所述牵引丝杠4011转动；

所述移动滑台4006设置在所述牵引丝杠4011上，能沿所述牵引丝杠4011在所述卷筒4005表面移动；

所述移动滑台4006上设有拉力传感器4007，所述拉力传感器4007与所述卷筒4005上缠绕的所述绳索7000接触；

所述支架总成4004的前端设有所述滑轮旋转支架4008，所述滑轮旋转支架4008的前端设置的旋转轴上设有所述导引摆头4009，所述导引摆头4009能经所述旋转轴支撑围绕所述滑轮旋转支架4008的转动，所述导引摆头4009上设有导引孔，所述绳索7000能经所述导引摆头4009的导引孔引导输出到工作空间中；

所述绳索7000经所述导引摆头4009中的导引孔缠绕在所述卷筒4005上。

优选的，上述高精度绳索牵引装置的伺服电机4001采用具有编码器的伺服电机，所述编码器能读取绳索7000的实际长度，即绳索的实际伸缩长度。

上述机器人中，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。

如图9所示，上述机器人中，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、支架机体5002、旋转支架5003、滑轮5004、导引摆头5005和轴承5006；其中，。

上述机器人中，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。

本发明实施例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，其特征在于，用于上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牵引支链的约束方程l_i＝h_i-p-Rb_i，得出所有绳索牵引支链的绳索长度计算方程为：

||l_i||²＝(h_i-p-Rb_i)^T(h_i-p-Rb_i),i＝1,2,…,m (2)；

所述式(1)中，l_i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，h_i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，b_i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，||l_i||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：h_z,i+1＝h_z,i+h₀,i＝1,3,…,2j-1；其中，j表示第j条绳索牵引支链；h_i表示每个直线移动装置上的一组万向导引装置；h_z,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h_i与绳索锚定点h_z,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：

f_j＝||l_i||+||l_i+1||-L_j,j＝1,2,…,n；i＝2j-1 (4)

所述式(4)中，L_j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＝[f₁ f₂ … f_n]^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h_z,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h_z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h_z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h_z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

即微小区间

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。

采用上述方法经过多次递归迭代计算后，最终会求解得到有限个解；解的数量与待求解的区间范围有关，合理设置解的待求解区间将会直接影响求解的正确性和精度；此外，最小求解区间宽度D的设置非常重要，如果宽度范围精度rad(D)设置的较大，则可能无法得到准确的求解结果；如果宽度范围精度rad(D)设置的较小，则求解时间会非常长，直接影响求解速度；这里都需要根据实际情况进行选择，比如绳索的最小测量单位是10^-3米，则将绳索的待求解宽度范围精度设置为10^-3米；直线移动装置的最小测量单位是10^-5米，也能将待求解宽度范围精度设置为10^-5，但是这样往往会导致求解速度非常慢，求解时间非常长，所以本申请优选设置为rad(D)＜10^-3米。

本发明的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，能解决可变结构绳索牵引并联机器人的空间位置多解问题，为运动学控制控制和运动规划提供理论基础和方法基础；使得可变结构的绳索牵引并联机器人能够连续和自动地完成变结构和空间动平台的运动，实现复杂环境下执行操作任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

(1)本发明的可变结构的绳索牵引并联机器人，采用模块化设计的高精度绳索牵引装置、直线移动装置、万向导引装置、万向牵引装置、空间动平台以及结构框架，模块化设计的高精度绳索牵引装置具有实时绳索输出拉力测量装置，模块化设计的直线移动装置采用丝杠和滑轨作为牵引驱动机构，模块化设计的万向导出装置和万向牵引装置能够实现对绳索进行全向导向和牵引，综合多种模块化设计平台能够实现在任意复杂空间下实现自由搭配和自由组合，满足不同任务要求。

(2)本发明的可变结构绳索牵引并联机器人采用的直线移动装置上设置有第二万向导引装置，绳索从第二万向导引装置引出后抵达空间动平台，实现牵引和控制空间动平台的自主运动；直线移动装置采用丝杠和滑台作为牵引驱动机构，能够实现连续地改变万向导引装置的位置，从而实现连续地改变绳索牵引并联机器人的结构构型，从而实现连续的空间可变结构；相对于传统的固定结构式和有限可重构式绳索牵引并联机器人具有更大的工作空间、更好的力学特性以及更优秀的避障能力，大大提高了绳索牵引并联机器人的应用领域和应用范围，具有非常高的科学价值和经济效益。

(3)本发明的可变结构绳索牵引并联机器人的空间动平台上设置有多组万向牵引装置，每组万向牵引装置与一条绳索牵引支链对应；绳索牵引支链之间相互独立，可以根据任意工作需求进行自由组合和自由匹配，从而能够满足不同的任务要求。

(4)本发明的可变结构绳索牵引并联机器人的绳索通过设置在空间动平台上的一组万向牵引装置来与动平台实现物理连接；一组万向牵引装置中的两个万向牵引装置将绳索改变两次牵引方向后返回直线移动装置上，实现了动滑轮组的牵引形式，从而将单条绳索牵引支链的牵引能力提高了两倍；这种牵引方式使得可变结构绳索牵引并联机器人的负载能力成指数倍提高，大大降低了设备成本，提高了经济效益。

(5)本发明的可变结构绳索牵引并联机器人的运动学多解求解方法，给出了可变结构的绳索牵引并联机器人的空间多解求解方法，能够快速准确地求解出任意位置出的空间多解，为绳索牵引并联机器人的运动学控制和运动规划提供了理论基础和技术方法。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本实施例提供一种可变结构的绳索牵引并联机器人，包括：结构框架1000、空间动平台6000、多组万向牵引装置5000和多条绳索牵引支链；

根据任务需要在所述的结构框架1000的底部框架上设置多条绳索牵引支链，空间动平台6000上设置多组万向牵引装置5000，万向牵引装置5000的组数与绳索牵引支链条数相同，每条绳索牵引支链的绳索7000穿过空间动平台6000上设置一组万向牵引装置5000，将空间动平台6000悬置牵引在结构框架1000内的工作空间中，通过改变绳索7000的长度和拉力来牵引空间动平台6000在工作空间中完成任务。

上述机器人中，单条绳索牵引支链的构成如图3、4、5所示，主要包括：高精度绳索牵引装置4000、直线移动装置2000、第一万向导引装置8000、第二导引装置8000和绳索7000；其中，高精度绳索牵引装置4000和直线移动装置2000在结构框架1000中可以根据任务要求任意安放，其中直线移动装置2000下方设置有第一万向导引装置8000，第一万向导引装置8000通过螺栓与安装支架2300固定连接，安装支架2300与经螺栓固定在结构框架1000上的固定支架2500连接；万向导引装置3000将高精度绳索牵引装置4000输出的绳索7000导向平行于直线移动装置2000的方向，抵达设置在直线移动装置2000的移动平台安装支架2100上的第二万向导引装置3000；移动平台安装支架2100连接移动平台2203和第二万向导引装置3000，三者通过螺栓来互相连接；绳索7000从移动平台2203上的第二万向导引装置3000引导至设置在空间动平台6000上的一组万向牵引装置5000，再次改变输出方向后到达直线移动装置2000上的绳索锚定点。绳索牵引支链的数量可以根据实际任务要求来进行组合和配置，在如图1所示的可变结构绳索牵引并联机器人中展示的是包括能组合使用的四条绳索牵引支链。

完成绳索牵引支链的组合后，进一步在工作空间中配置空间动平台6000和万向牵引装置5000；万向牵引装置5000的支架机体5002上设置有螺栓定位安装孔，可以直接通过螺栓与空间动平台6000实现连接；每组万向牵引装置5000可以是单个使用，也可以是一组两个一起使用，万向牵引装置5000的组数与绳索牵引支链的数量一致；例如，使用四条绳索牵引支链，如果是单个使用，则需要四组万向导引装置5000，如果每组万向导引装置5000包括两个万向导引装置，则需要八个万向导引装置，每组的两个万向导引装置要上下对置安装。

如图6所示，直线移动装置包括：机体支架2201、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以及行程限位光电传感器2008。

如图7所示，高精度绳索牵引装置包括：伺服电机4001、减速机4002、联轴器4003、支架总成4004、卷筒4005、移动滑台4006、拉力传感器4007、滑轮旋转支架4008、导引摆头4009、底座安装支架4010、牵引丝杠4011、主动同步带轮4012以及从动同步带轮4013；伺服电机4001与减速机4002通过轴连接，减速机4002的输出轴通过联轴器4003与卷筒4005连接，驱动卷筒4005转动；卷筒4005的一端设置有主动同步带轮4012，主动同步带轮4012通过同步带与从动同步带轮4013连接，从动同步带轮4013设置牵引丝杠4011上；伺服电机4001的旋转驱动减速机4002，最终带动卷筒400和牵引丝杠4011旋转，使得设置在牵引丝杠上的移动滑台4006能够沿着卷筒4005表面移动，均匀地释放和回收绳索7000；移动滑台上设置有拉力传感器4007，能够直接测量绳索7000上的拉力；输出的绳索7000通过滑轮旋转支架4008上的导引摆头4009中的导引孔进入工作空间。

如图9所示，万向导引装置包括：滑轮3001、导引摆头3002、旋转支架3003、支架外壳3004、支架底座3005、支架固定螺母3006以及轴承3007。

如图10所示，空间动平台6000上对应每条绳索牵引支链设置有两个万向牵引装置5000。

如图9所示，万向牵引装置包括：底座盖板5001，支架机体5002、旋转支架5003、滑轮5004、导引摆头5005以及轴承5006。

本实施例还提供一种可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学多解求解方法，按如下步骤进行(下述各步骤的各式中，涉及部件的参数均指可变结构的绳索牵引并联机器人的部件参数)：

步骤1：计算单根绳索约束方程为：

l_i＝h_i-p-Rb_i (1)

式(1)中，l_i表示工作空间中牵引的绳索的向量，h_i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，b_i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；能得到所有绳索的长度计算方程为：

||l_i||²＝(h_i-p-Rb_i)^T(h_i-p-Rb_i),i＝1,2,…,m (2)

式(2)中，||l_i||表示第i根绳索的长度，m表示所有绳索的数量；

步骤2：约束单根绳索牵引支链上的直线移动装置中移动平台位置坐标，由于每个移动平台上固定有一组万向导引装置，记作h_i，和一个绳索锚定点h_z,i；二者在Z轴方向上的距离是已知的，记作h₀，因此有h_z,i+1＝h_z,i+h₀,i＝1,3,…,2j-1，j表示第j条绳索牵引支链；

步骤3：绳索的实际长度L_j通过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直接获得，因此当已知绳索的实际长度L_j条件下有：

L_j＝||l_i||+||l_i+1||,j＝1,2,…,n；i＝2j-1 (3)

这里，n表示绳索牵引支链的数目；

步骤4：此时，约束方程的数目降低到n个，远小于需要求解未知数的个数{l_i,l_i+1,h_i}·n，所以约束方程会有非常多的解；这里将约束方程进行区间求解，写成：

f_j＝||l_i||+||l_i+1||-L_j,j＝1,2,…,n；i＝2j-1 (4)

改写成：

f＝[f₁ f₂ … f_n]^T (5)

步骤5：将式(5)的方程f对未知变量h_z,i求偏导，计算区间雅克比矩阵为：

步骤6：采用Hansen-Sengupta算子将式(6)未知数h_z的区间参数中的解记作

迭代求解过程写作：

这里，

表示迭代待求解的未知数向量h_z的区间表示，上标符号～均表示区间参数；

第k次求解时的未知数的解；这里的i和j均表示雅克比矩阵的行向量和列向量序号，与之前计算过程中的绳索序号无关；其他符号矩阵计算过程如下：

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

的均匀等分成多个微小区间

后存入存储列表T，最小解区间宽度记作D，区间范围精度设为rad(D)＜10^-3米；参数h_z解的存储列表记作

解的结果区间列表

解的区间结果记作

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：对求解区间中是否存在解进行判定，如果

将微小区间

放进解的结果区间列表S末尾后，返回步骤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

也就是微小区间

中不存在解，直接丢弃后返回步骤8；如果

则该微小区间

存在解

返回步骤8；否则，将微小区间

均分为两部分，分别记作

和

并且存入存储列表T的末尾，返回步骤8；

步骤11：从解的结果区间列表S中取出

检测是否满足可变结构绳索牵引并联机器人的力可行约束条件；如果满足，则将

放入解列表Q，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；

进过多次递归迭代计算后，最终会求解得到有限个解；解的数量与待求解的区间范围有关，合理设置解的待求解区间将会直接影响求解的正确性和精度；此外，最小求解区间宽度D的设置非常重要，如果宽度范围精度rad(D)设置的较大，则可能无法得到准确的求解结果；如果宽度范围精度rad(D)设置的较小，则求解时间会非常长，直接影响求解速度；这里都需要根据实际情况进行选择，比如绳索的最小测量单位是10^-3米，则可以将绳索的待求解宽度范围精度设置为10^-3米；直线移动装置的最小测量单位是10^-5米，也可以将待求解宽度范围精度设置为10^-5，但是这样往往会导致求解速度非常慢，求解时间非常长，所以本文一般设置为rad(D)＜10^-3米。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

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。

5.根据权利要求4所述的可变结构绳索牵引并联机器人，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)、支架机体(5002)、旋转支架(5003)、滑轮(5004)、导引摆头(5005)和轴承(5006)；其中，。

6.根据权利要求5所述的可变结构绳索牵引并联机器人，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。

7.一种可变结构绳索牵引并联机器人的运动学多解求解方法，其特征在于，用于权利要求1至6任一项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l_i＝h_i-p-Rb_i，得出所有绳索牵引支链的绳索长度计算方程为：

||l_i||²＝(h_i-p-Rb_i)^T(h_i-p-Rb_i),i＝1,2,…,m (2)；

所述式(1)中，l_i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，h_i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，b_i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，||l_i||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：h_z,i+1＝h_z,i+h₀,i＝1,3,…,2j-1；其中，j表示第j条绳索牵引支链；h_i表示每个直线移动装置上的一组万向导引装置；h_z,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h_i与绳索锚定点h_z,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：

f_j＝||l_i||+||l_i+1||-L_j,j＝1,2,…,n；i＝2j-1 (4)

所述式(4)中，L_j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＝[f₁ f₂…f_n]^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h_z,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h_z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h_z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h_z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。

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