[發(fā)明專(zhuān)利]并聯(lián)機(jī)器人工作空間的求解方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611179049.3
• 申請(qǐng)日: 2016-12-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106777702A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭本銀;王麗萍;謝耀;王輝;周烽
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)44316
• 代理人: 趙勍毅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種求解并聯(lián)機(jī)器人工作空間的方法。

背景技術(shù)

并聯(lián)機(jī)器人(也稱(chēng)并聯(lián)機(jī)構(gòu))應(yīng)用領(lǐng)域包括：運(yùn)動(dòng)模擬器、虛擬軸機(jī)床、微操作機(jī)器人、并聯(lián)力傳感器、空間飛行器的對(duì)接裝置、天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)控制器等等。在所有這些應(yīng)用中，都離不開(kāi)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的研究。工作空間是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，所有并聯(lián)機(jī)器人都需要更為精確和詳盡的工作空間描述。

并聯(lián)機(jī)器人的工作空間是指其末端執(zhí)行器的工作區(qū)域，是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一。并聯(lián)機(jī)器人工作空間的求解方法主要有兩類(lèi)：解析法和數(shù)值法。解析法的代表為幾何法，它利用曲面包絡(luò)原理求解各支鏈空間邊界，再利用曲面求交獲得實(shí)際工作空間，但是這種方法求解復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)。數(shù)值法是在空間中進(jìn)行掃描，利用機(jī)構(gòu)的逆解獲得當(dāng)前位姿對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以邊界約束條件為判定依據(jù)從而獲得所有邊界點(diǎn)的方法，但是傳統(tǒng)的數(shù)值方法并不能反映運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有一定姿態(tài)調(diào)整能力下的工作空間。

因此，如何對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)值方法進(jìn)行改進(jìn)，以反映運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有一定姿態(tài)調(diào)整能力下的工作空間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種求解并聯(lián)機(jī)器人工作空間的方法，且該方法能夠反映運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有一定姿態(tài)調(diào)整能力下的工作空間。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，一種求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的方法，其特征在于，所述方法包括：步驟一：建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系，定義出并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系{P}:O_p-X_pY_pZ_p和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定平臺(tái)坐標(biāo)系{B}:O_b-X_bY_bZ_b；步驟二：變換坐標(biāo)系以歐拉角表示活動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)；步驟三：在以歐拉角方法表示活動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)下，根據(jù)定義的傳遞矩陣和解算公式得到該姿態(tài)下的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)；步驟四：對(duì)活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行空間掃描，根據(jù)邊界約束條件生成具有一定姿態(tài)調(diào)整能力的工作空間。

優(yōu)選的，所述步驟二包括將活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系{P}:O_p-X_pY_pZ_p的當(dāng)前姿態(tài)用初始與固定平臺(tái)坐標(biāo)系{B}:O_b-X_bY_bZ_b重合的坐標(biāo)系進(jìn)行三次有順序的旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選的，三次旋轉(zhuǎn)的順序?yàn)椋?1)繞{P}坐標(biāo)系的Z_p軸旋轉(zhuǎn)角ψ，ψ為最終Z_p在{B}中X_bY_b平面內(nèi)的投影與X_b的夾角；(2)繞{P}坐標(biāo)系的Y_p軸旋轉(zhuǎn)角θ，θ為最終Z_p在{B}中與Z_b的夾角；(3)最后再繞{P}坐標(biāo)系的Z_p軸旋轉(zhuǎn)角φ。

優(yōu)選的，所述步驟三中的傳遞矩陣具體公式為

其中，φ、θ、ψ為歐拉角中的自旋角、章動(dòng)角和進(jìn)動(dòng)角。

優(yōu)選的，所述步驟三中的解算公式具體為

優(yōu)選的，所述步驟四中的邊界約束條件具體指桿長(zhǎng)極值。

優(yōu)選的，所述桿長(zhǎng)極值包括桿長(zhǎng)極大值和桿長(zhǎng)極小值。

優(yōu)選的，所述步驟四中空間掃描的掃描方式，采用柱坐標(biāo)的極角和極徑的方式在空間中進(jìn)行掃描，直至探測(cè)出空間中所有的邊界。

優(yōu)選的，所述步驟四的具體流程為：利用柱坐標(biāo)系的方式構(gòu)造掃描空間，在高度上以微小步長(zhǎng)將搜索空間分割為若干個(gè)平行的掃面平面；在每個(gè)掃面平面上以極坐標(biāo)的方式，使活動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)坐標(biāo)的極徑和極角分別從0開(kāi)始逐漸增大；由步驟三計(jì)算得到每個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的各個(gè)桿長(zhǎng)長(zhǎng)度l'；根據(jù)桿長(zhǎng)約束條件l_min≤l_i≤l_max判斷是否仍在工作空間范圍內(nèi)，若超出的話記錄邊界點(diǎn)；依次搜索出各個(gè)掃描截面上的邊界曲線，進(jìn)而得到整個(gè)工作空間。

優(yōu)選的，在每個(gè)掃面點(diǎn)添加靈活姿態(tài)角判斷的掃描，即令章動(dòng)角θ為特定值，進(jìn)動(dòng)角ψ從0°到360°進(jìn)行姿態(tài)掃描，為了限制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，令進(jìn)動(dòng)角等于自旋角的負(fù)數(shù)，即ψ＝-φ。

本發(fā)明提出的求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的方法解算效率高，能夠得到活動(dòng)平臺(tái)具有一定姿態(tài)調(diào)整能力下的工作空間，對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。