CN111409069B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN111409069B CN202010191720.6A CN202010191720A CN111409069B CN 111409069 B CN111409069 B CN 111409069B CN 202010191720 A CN202010191720 A CN 202010191720A CN 111409069 B CN111409069 B CN 111409069B
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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明涉及绳索牵引并联机器人控制领域，尤其涉及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。
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，也可以称作是固定结构式绳索牵引病例机器人；固定式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，固定结构式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ZL201710253505.2的中国专利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，该发明公开了一种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，进而无法通过运动控制方法实现连续可重构的运动控制；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的中国专利公开了一种能够实现快速重构的绳索驱动并联机器人，该装置设置有驱动模块、换向装置以及输出装置，但是该装置仅能够实现有限范围内的可重构，重构过程必须手动进行，无法实现连续可重构的自动控制。
绳索机器人的空间动平台速度与运动关节速度可以统称为运动学速度，目前还没有有效的可变结构绳索牵引并联机器人运动学速度求解方法，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的运动学速度求解方法，能解决现有绳索驱动并联机器人运动学控制所存在的连续可重构的运动学速度求解问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供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，用于对可变结构绳索牵引并联机器人进行运动学速度进行求解，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
Figure GDA0003456387100000026
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；
Figure GDA0003456387100000025
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；
Figure GDA0003456387100000024
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；
Figure GDA0003456387100000023
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，
Figure GDA0003456387100000021
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
Figure GDA0003456387100000022
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
Figure GDA0003456387100000031
逆伴随矩阵为
Figure GDA0003456387100000032
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：
Figure GDA0003456387100000033
所述式(1)中，
Figure GDA0003456387100000034
表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系
Figure GDA0003456387100000035
的齐次转换矩阵；
Figure GDA0003456387100000036
表示移动关节坐标系
Figure GDA0003456387100000037
到直线移动装置坐标系
Figure GDA0003456387100000038
的齐次转换矩阵；
Figure GDA0003456387100000039
表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000000310
相对移动关节坐标系
Figure GDA00034563871000000311
的齐次转换矩阵；
Figure GDA00034563871000000312
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000000313
相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000000314
的齐次转换矩阵；
Figure GDA00034563871000000315
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000000316
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：
Figure GDA00034563871000000317
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：
Figure GDA00034563871000000318
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：
Figure GDA00034563871000000319
Figure GDA00034563871000000320
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:
Figure GDA0003456387100000041
所述式(6)中，nm表示第m个绳索牵引支链上的全部关节的数量，将所述式(6)转换为：
Figure GDA0003456387100000042
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
Figure GDA0003456387100000043
之间的拉力约束为：
Figure GDA0003456387100000044
所述式(8)中，
Figure GDA0003456387100000045
表示绳索对空间动平台绳索连接点的单位力矩向量；
Figure GDA0003456387100000046
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA0003456387100000047
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；
Figure GDA0003456387100000048
表示直线移动装置上移动平台在z轴方向的移动速度；
Figure GDA0003456387100000049
表示绳索相对直线移动装置上移动平台的转角，该关节为被动关节；
Figure GDA00034563871000000410
表示绳索的速度；
根据刚体之间的速度传递关系得到
Figure GDA00034563871000000411
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
Figure GDA00034563871000000412
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：
Figure GDA00034563871000000413
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：
Figure GDA00034563871000000414
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：
Figure GDA00034563871000000415
其中，
Figure GDA0003456387100000051
所述方程(11)表示第i根绳索中运动关节速度
Figure GDA0003456387100000052
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
Figure GDA0003456387100000053
其中
Figure GDA0003456387100000054
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：
Figure GDA0003456387100000055
所述式(12)中，
Figure GDA0003456387100000056
并且
Figure GDA0003456387100000057
通过以上各式能得到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
Figure GDA0003456387100000058
与空间动平台的速度VO的映射方程为：
Figure GDA0003456387100000059
步骤12：逆运动学速度模型的计算式为：
Figure GDA00034563871000000510
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运动关节的速度；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。
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的运动学速度求解方法，其有益效果为：
通过确定的可变结构绳索牵引并联机器人运动关节速度和空间动平台运动速度的映射关系，能够通过获得运动关节速度求解得到空间动平台的运动速度，也可以获得空间动平台的速度求解得到运动关节速度；从而能够为连续和自动地完成变结构和空间动平台的运动提供技术支持，实现在复杂环境下执行操作任务，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依据。
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体结构示意图；
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导引装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的万向牵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；2208-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。
本发明实施例提供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，用于对可变结构绳索牵引并联机器人(参见图1)的运动学速度进行求解，该求解方法可以应用于可变结构绳索牵引并联机器人的运动学规划和运动学控制，能实现可变结构的绳索牵引并联机器人的空间动平台和结构构型的自动运动控制，从而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，该方法包括以下步骤：
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
Figure GDA0003456387100000072
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；
Figure GDA0003456387100000073
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；移动关节是指直接和直线移动装置丝杠连接的部件，能实现直线移动，该移动关节上设置有万向导引滑轮；
Figure GDA0003456387100000074
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；
Figure GDA0003456387100000075
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，
Figure GDA0003456387100000071
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
Figure GDA0003456387100000081
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
Figure GDA0003456387100000082
逆伴随矩阵为
Figure GDA0003456387100000083
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：
Figure GDA0003456387100000084
所述式(1)中，
Figure GDA0003456387100000085
表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系
Figure GDA0003456387100000086
的齐次转换矩阵；
Figure GDA0003456387100000087
表示移动关节坐标系
Figure GDA0003456387100000088
到直线移动装置坐标系
Figure GDA0003456387100000089
的齐次转换矩阵；
Figure GDA00034563871000000810
表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000000811
相对移动关节坐标系
Figure GDA00034563871000000812
的齐次转换矩阵；
Figure GDA00034563871000000813
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000000814
相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000000815
的齐次转换矩阵；
Figure GDA00034563871000000816
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000000817
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：
Figure GDA00034563871000000818
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：
Figure GDA00034563871000000819
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：
Figure GDA0003456387100000091
Figure GDA0003456387100000092
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:
Figure GDA0003456387100000093
所述式(6)中，nm表示第m个绳索牵引支链上的全部关节的数量，将所述式(6)转换为：
Figure GDA0003456387100000094
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
Figure GDA0003456387100000095
之间的拉力约束为：
Figure GDA0003456387100000096
所述式(8)中，
Figure GDA0003456387100000097
表示绳索对空间动平台绳索连接点的单位力矩向量；
Figure GDA0003456387100000098
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA0003456387100000099
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；
Figure GDA00034563871000000910
表示直线移动装置上移动平台在z轴方向的移动速度；
Figure GDA00034563871000000911
表示绳索相对直线移动装置上移动平台的转角，该关节为被动关节；
Figure GDA00034563871000000912
表示绳索的速度；
根据刚体之间的速度传递关系得到
Figure GDA00034563871000000913
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
Figure GDA00034563871000000914
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：
Figure GDA00034563871000000915
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：
Figure GDA0003456387100000101
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：
Figure GDA0003456387100000102
其中，
Figure GDA0003456387100000103
所述方程(11)表示第i根绳索中运动关节速度
Figure GDA0003456387100000104
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
Figure GDA0003456387100000105
其中
Figure GDA0003456387100000106
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：
Figure GDA0003456387100000107
所述式(12)中，
Figure GDA0003456387100000108
并且
Figure GDA0003456387100000109
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
Figure GDA00034563871000001010
与空间动平台的速度VO的映射方程为：
Figure GDA00034563871000001011
步骤12：逆运动学速度模型的计算式为：
Figure GDA00034563871000001012
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运动关节的速度；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。
本发明的运动学速度求解方法与现有技术相比，通过确定的可变结构绳索牵引并联机器人运动关节速度和空间动平台运动速度的映射关系，能够通过获得运动关节速度求解得到空间动平台的运动速度，也可以获得空间动平台的速度求解得到运动关节速度；从而能够为连续和自动地完成变结构和空间动平台的运动提供技术基础，实现在复杂环境下执行操作任务，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依据。
上方法中，该可变结构绳索牵引并联机器人的结构参见图1、2，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；
参见图3、4和5，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。
参见图6，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2208；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2208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2208；
所述移动平台2203上固定设置所述第二万向导引装置3000。
参见图8，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。
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。
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。
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，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。
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、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。
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。
上述结构的可变结构的绳索牵引并联机器人，通过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；采用的直线移动装置上设置有万向导引装置，绳索从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；空间动平台上设置有多组万向牵引装置，每组万向牵引装置配套一根绳索牵引支链；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；由于绳索通过设置在动平台上的万向牵引装置来与动平台实现物理连接；两组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，从而将单根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
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
参见图1，本实施例中进行运动学控制的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的第二支架机体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可以包含一个万向牵引装置，也可以是一组包含两个万向牵引装置，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，如果每组包含一个万向牵引装置，则需要四个万向导引装置，如果每组万向导引装置5000包含两个万向导引装置，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2208。
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8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包括两个万向牵引装置的一组万向牵引装置5000。
如图9所示，万向牵引装置包括：底座盖板5001，支架机体5002、第二旋转支架5003、第二滑轮5004、第二导引摆头5005以及第二轴承5006。
参见图2，本实施例中对上述结构的可变结构的绳索牵引并联机器人的运动学速度求解方法，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，即可变结构绳索牵引并联机器人的世界坐标系，{O}表示空间动平台坐标系，即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，{bi}表示空间动平台上绳索连接点坐标系，即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，
Figure GDA0003456387100000161
表示直线移动装置坐标系，即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，
Figure GDA0003456387100000162
表示移动关节坐标系，即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；移动关节是指直接和直线移动装置丝杠连接的部分，可称作丝杠移动平台、直线移动平台；移动关节上设置有万向导引滑轮；
Figure GDA0003456387100000163
表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系，即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；
Figure GDA0003456387100000164
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；这里，i＝1,2,…,m表示空间动平台6000上绳索7000的数目；j＝1,2,…,n表示绳索牵引支链的数目，其中
Figure GDA0003456387100000171
每个绳索牵引支链的绳索7000通过空间动平台6000上的万向牵引装置5000来牵引，通过高精度绳索牵引装置4000中的伺服电机的编码器读取得到每根绳索的实际长度，记作{Lj}；将空间动平台上连接的绳索单独编号，记作li；将空间动平台6000在世界坐标系中的位姿写成
Figure GDA0003456387100000172
其中RSO表示空间动平台6000在世界坐标系{S}下的旋转矩阵，PSO表示空间动平台6000在世界坐标系{S}下的位置矩阵；可以得到伴随矩阵写作
Figure GDA0003456387100000173
逆伴随矩阵写作
Figure GDA0003456387100000174
可以将绳索机器人的运动学方程写成：
Figure GDA0003456387100000175
这里，
Figure GDA0003456387100000176
表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系
Figure GDA0003456387100000177
的齐次转换矩阵，
Figure GDA0003456387100000178
表示移动关节坐标系
Figure GDA0003456387100000179
到直线移动装置坐标系
Figure GDA00034563871000001710
的齐次转换矩阵，
Figure GDA00034563871000001711
表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000001712
相对移动关节坐标系
Figure GDA00034563871000001713
的齐次转换矩阵，
Figure GDA00034563871000001714
表示空间动平台6000的万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000001715
相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure GDA00034563871000001716
的齐次转换矩阵，
Figure GDA00034563871000001717
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure GDA00034563871000001718
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6000初始状态下的绳索初始长度，也就是高精度绳索牵引装置4000的伺服电机的编码器的初始读数；因此，在任意绳索长度q的条件下，空间动平台的位姿求解步骤如下：
步骤2：计算机器人的空间动平台6000在世界坐标系{S}中的瞬时速度：
Figure GDA00034563871000001719
步骤3：将瞬时速度用旋量形式，可以计算得到：
Figure GDA0003456387100000181
步骤4：利用伴随矩阵计算空间动平台6000坐标系{O}与世界坐标系{S}的雅可比矩阵之间转换矩阵为：
Figure GDA0003456387100000182
Figure GDA0003456387100000183
步骤5：计算可变结构绳索牵引并联机器人的瞬时速度
Figure GDA0003456387100000184
这里，nm表示第m个绳索牵引支链上的全部关节的数量，可以将式(6)写成
Figure GDA0003456387100000185
这里，[I]表示单位矩阵；
步骤6：计算动平台上绳索连接点的坐标系{bi}与绳索连接点坐标系
Figure GDA0003456387100000186
之间的拉力约束
Figure GDA0003456387100000187
这里，
Figure GDA0003456387100000188
表示绳索连接坐标系
Figure GDA0003456387100000189
相对空间动平台6000上绳索固定点坐标系{bi}的运动速度旋量；
Figure GDA00034563871000001810
表示绳索对空间动平台6000参数的单位力矩向量；这里只计算刚体上的速度，后面会省略上标b；
Figure GDA00034563871000001811
表示直线移动装置2000上移动平台在z轴方向的移动速度；
Figure GDA00034563871000001812
表示绳索相对直线移动装置2000上移动平台的转角，该关节是被动关节；
Figure GDA00034563871000001813
表示绳索的速度；根据刚体之间的速度传递关系可以得到
Figure GDA00034563871000001814
这里，VS3i表示空间动平台6000上绳索连接点相对机器人世界坐标系的速度；因为直线移动装置2000参考系相对世界坐标系固定不动，所以
Figure GDA0003456387100000191
步骤7：计算绳索连接点相对世界坐标系的速度
Figure GDA0003456387100000192
步骤8：将步骤5计算结果带入式(9)可以得到：
Figure GDA0003456387100000193
这里，VSO表示动平台参考系在世界坐标系中的速度。
步骤9：将式(10)带入式(8)，可以得到可变结构绳索牵引并联机器人的运动学约束方程
Figure GDA0003456387100000194
其中
Figure GDA0003456387100000195
方程11表示第i根绳索中运动关节速度
Figure GDA0003456387100000196
与动平台速度VSO之间速度约束方程；最终得到约束方程
Figure GDA0003456387100000197
其中
Figure GDA0003456387100000198
步骤10：将约束方程应用到每根绳索上，得到：
Figure GDA0003456387100000199
其中
Figure GDA00034563871000001910
并且
Figure GDA00034563871000001911
通过以上各式最后得到可变结构绳索牵引并联机器人运动学模型的一阶方程，即建立了运动关节变量
Figure GDA00034563871000001912
与空间动平台6000速度VO的映射方程；
步骤11：正运动学速度模型计算公式写作：
Figure GDA00034563871000001913
步骤12：逆运动学速度模型计算公式写作：
Figure GDA00034563871000001914
完成计算式(13)即可以在已知运动关节速度时求解计算空间动平台6000的速度，计算式(14)就可以在已知空间动平台6000速度时求解计算运动关节的速度。因此，通过式(13)和式(14)即可实现可变结构绳索牵引并联机器人的运动学控制。
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 (6)

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，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，
所述多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；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
Figure FDA0003456387090000021
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；
Figure FDA0003456387090000022
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；
Figure FDA0003456387090000023
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；
Figure FDA0003456387090000024
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，
Figure FDA0003456387090000025
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
Figure FDA0003456387090000026
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
Figure FDA0003456387090000027
逆伴随矩阵为
Figure FDA0003456387090000028
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：
Figure FDA0003456387090000029
所述式(1)中，
Figure FDA00034563870900000210
表示世界坐标系{S}到直线移动装置坐标系
Figure FDA00034563870900000211
的齐次转换矩阵；
Figure FDA00034563870900000212
表示移动关节坐标系
Figure FDA00034563870900000213
到直线移动装置坐标系
Figure FDA00034563870900000214
的齐次转换矩阵；
Figure FDA0003456387090000031
表示直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure FDA0003456387090000032
相对移动关节坐标系
Figure FDA0003456387090000033
的齐次转换矩阵；
Figure FDA0003456387090000034
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure FDA0003456387090000035
相对直线移动装置上移动平台的绳索引出点坐标系
Figure FDA0003456387090000036
的齐次转换矩阵；
Figure FDA0003456387090000037
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure FDA0003456387090000038
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：
Figure FDA0003456387090000039
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：
Figure FDA00034563870900000310
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：
Figure FDA00034563870900000311
Figure FDA00034563870900000312
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:
Figure FDA00034563870900000313
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：
Figure FDA00034563870900000314
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
Figure FDA00034563870900000315
之间的拉力约束为：
Figure FDA00034563870900000316
所述式(8)中，
Figure FDA00034563870900000419
表示绳索对空间动平台绳索连接点的单位力矩向量；
Figure FDA0003456387090000042
表示万向牵引装置上的绳索接触点坐标系
Figure FDA0003456387090000043
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；
Figure FDA0003456387090000044
表示直线移动装置上移动平台在z轴方向的移动速度；
Figure FDA0003456387090000045
表示绳索相对直线移动装置上移动平台的转角，
Figure FDA00034563870900000418
表示绳索的速度；
根据刚体之间的速度传递关系得到
Figure FDA0003456387090000046
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
Figure FDA0003456387090000047
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：
Figure FDA0003456387090000048
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：
Figure FDA0003456387090000049
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：
Figure FDA00034563870900000410
其中，
Figure FDA00034563870900000411
所述方程(11)表示第i根绳索中运动关节速度
Figure FDA00034563870900000412
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
Figure FDA00034563870900000413
其中
Figure FDA00034563870900000414
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：
Figure FDA00034563870900000415
所述式(12)中，
Figure FDA00034563870900000416
并且
Figure FDA00034563870900000417
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
Figure FDA0003456387090000051
与空间动平台的速度VO的映射方程为：
Figure FDA0003456387090000052
步骤12：逆运动学速度模型的计算式为：
Figure FDA0003456387090000053
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(2204 )、丝杠(2205 )、光电挡片(22 06)、零点限位光电传感器(2207)和行程限位光电传感器(2208)；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(2204 )，所述移动平台(2203)滑动设置在所述直线导轨(2204 )上，所述丝杠(2205 )与所述移动平台(2203)连接，所述第一伺服电机(2202)与所述丝杠(2205 )连接，能经所述丝杠(22 05)驱动所述移动平台(2203)沿所述直线导轨(2204 )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(2208)分别固定设置在所述直线导轨(2204 )的两端；
所述光电挡片(2206 )固定设置在所述移动平台(2203)上，能在所述直线导轨(2204 )运动到所述直线导轨(2204 )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(2208)；
所述移动平台(2203)上固定设置所述第二万向导引装置(3000)。
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)。
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。
5.根据权利要求4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。
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。
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