[發明專利]機器人走柔性鋼絲繩實驗測試平臺及測試方法

有效

• 申請號: 201710053996.6
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106737690B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 黃用華;陳亞雄;莊未;鐘艷如;黃美發;匡兵;孫永厚;劉夫云;鐘永全
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J13/08
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

1.機器人走柔性鋼絲繩測試方法，采用了機器人走柔性鋼絲繩實驗測試平臺，所述機器人走柔性鋼絲繩實驗測試平臺包括左、右相同且對稱的兩個支撐架(1)以及左、右相同且對稱設于左、右支撐架(1)上的柔性鋼絲繩牽拉機構(12)，各柔性鋼絲繩牽拉機構(12)包括十字軸(3)，所述十字軸(3)的上、下軸端通過上、下軸承座(4)安裝于十字軸豎軸架(5)內，十字軸(3)的左、右軸端通過左、右軸承座(4)安裝于十字軸橫軸架(6)內，所述十字軸橫軸架(6)上安裝有檢測柔性鋼絲繩(2)拉力值并將其轉化為柔性鋼絲繩(2)伸長量的拉力傳感器(7)，左、右十字軸豎軸架(5)固定安裝于左、右支撐架(1)上，所述柔性鋼絲繩(2)拉緊在左、右拉力傳感器(7)之間，所述十字軸橫軸架(6)上設有檢測其上、下擺動角度的絕對編碼器(8)和檢測其上、下擺動速度的增量編碼器(9)，所述十字軸豎軸架(5)上設有檢測十字軸橫軸架(6)左、右擺動角度的絕對編碼器(8)和檢測十字軸橫軸架(6)左、右擺動速度的增量編碼器(9)，其特征在于測試步驟如下：

①、所述柔性鋼絲繩(2)左、右端(S1、S2)的距離設為L，柔性鋼絲繩(2)的剛度系數設為K；

a、將柔性鋼絲繩(2)拉緊并處于水平狀態，在柔性鋼絲繩(2)上選取一點W，并測出點W與S1的距離位置為L1；

b、將一質量為M的物體固定并懸掛在W點而使柔性鋼絲繩(2)產生變形，靜止狀態下的柔性鋼絲繩(2)只在Z軸方向產生變形，此時可通過左、右十字軸橫軸架(6)上的絕對編碼器(8)測得W點左、右兩邊柔性鋼絲繩(2)的變形角度θ1和θ2，已知一邊L和兩個角度θ1和θ2后，即可構造三角形S1S2P，可得三角形的三邊長度分別為A、B、L；

c、再對W點進行受力分析，重力Mg與W點左右兩邊的柔性鋼絲繩(2)的拉力平衡，而W點左、右兩邊的鋼絲繩(2)的拉力值可通過胡可定律表示為(A-L1)K、(B-(L-L1))K，根據平行四邊形法則得出方程

即可解得柔性鋼絲繩(2)的剛度系數K，并將柔性鋼絲繩(2)左、右端的拉力傳感器(7)測得的數值D1與D2分別與(A-L1)K和(B-(L-L1))K進行比較驗證；

②、無論走鋼絲機器人(11)是一點還是多點與柔性鋼絲繩(2)接觸，由于走鋼絲機器人(11)的跨度相對L來說很小，所以均假設走鋼絲機器人(11)只有一點P與柔性鋼絲繩(2)接觸；

a、在S1處建立鋼絲繩坐標系E1，在S2處建立鋼絲繩坐標系E2，并且假設初始時，鋼絲繩坐標系E1與鋼絲繩坐標系E2均與大地坐標系E0平行，而大地坐標系E0的Y軸與柔性鋼絲繩(2)初始狀態平行且Z軸與水平地面垂直；

b、當走鋼絲機器人(11)在柔性鋼絲繩(2)上行走時，可通過左邊十字軸豎軸架(5)上絕對編碼器(8)測得鋼絲繩坐標系E1繞大地坐標系E0的Z軸旋轉的角度Q1，并通過左邊十字軸橫軸架(6)上的絕對編碼器(8)測得鋼絲繩坐標系E1繞大地坐標系E0的X軸旋轉的角度Q2，同時可通過右邊十字軸豎軸架(5)上絕對編碼器(8)測得鋼絲繩坐標系E2繞大地坐標系E0的Z軸旋轉的角度Q3，并通過右邊十字軸橫軸架(6)上的絕對編碼器(8)測得鋼絲繩坐標系E2繞大地坐標系E0的X軸旋轉的角度Q4；

c、假設柔性鋼絲繩(2)始終處于拉緊狀態并不會折疊，所以鋼絲繩坐標系E1和鋼絲繩坐標系E2繞大地坐標系E0的Y軸旋轉的角度為0，至此，鋼絲繩坐標系E1和鋼絲繩坐標系E2均完成了一次繞固定坐標系的旋轉變換，由旋轉變換公式RPY(α，β，γ)＝Rot(Z，γ)Rot(Y，β)Rot(X，α)可計算出鋼絲繩坐標系E1和鋼絲繩坐標系E2轉動后的姿態矩陣

和

d、姿態矩陣R01和R02的第二列V1＝(-cosQ2sinQ1，cosQ1cosQ2，sinQ2)和V2＝(-cosQ4sinQ3，cosQ3cosQ4，sinQ4)即為變換后鋼絲繩坐標系E1和鋼絲繩坐標系E2的Y軸在大地坐標系E0下的方向向量，同時也是柔性鋼絲繩(2)變形后P點兩邊柔性鋼絲繩(2)的方向向量，另外，假設S1與S2的連線方向向量為V3＝(0，L，0)，顯然，V3與V1和V2在同一平面，即可得到方程(V1×V2)·V3＝0，該方程(1)中的Q1、Q2、Q3、Q4均為編碼器測得的已知參數，所以該方程可用于驗證作用；

③、假設S1與S2在大地坐標系E0下的坐標為(0，0，0)和(0，L，0)，P在大地坐標系E0下的坐標為(XP，YP，ZP)，因此可得P點兩邊柔性鋼絲繩(2)的方向向量在大地坐標系E0下也可表示為VV1＝(XP，YP，ZP)和VV2＝(-XP，L-YP，-ZP)，而柔性鋼絲繩(2)的運動狀態分為四種：

a、當Q1、Q2、Q3、Q4均不為0時，柔性鋼絲繩(2)在X軸與Z軸方向上均有變形；

b、當Q1和Q3為0而Q2和Q4不為0時，即柔性鋼絲繩(2)在X軸方向上無變形，此時XP＝0，柔性鋼絲繩(2)只在Z軸方向變形；

c、當Q2和Q4為0而Q1和Q3不為0時，即柔性鋼絲繩(2)在Z軸方向上無變形，此時ZP＝0，柔性鋼絲繩(2)只在X軸方向變形；

d、當Q1、Q2、Q3、Q4均為0時，即柔性鋼絲繩(2)在X軸與Z軸方向上均無變形，此時XP＝0且ZP＝0，此狀態由于柔性鋼絲繩(2)沒有顯示出柔性，所以無意義；

當柔性鋼絲繩(2)處于a、b、c3種運動狀態時，因為VV1和V1是平行向量，VV2和V2也是平行向量，所以VV1中的三個向量分量與V1中對應的三個向量分量有著相同的比例關系，而VV2中的三個向量分量與V2中對應的三個向量分量也有著相同的比例關系，這樣可寫出方程組

從而解得XP、YP、ZP，即得到了P在大地坐標系E0下的坐標，當柔性鋼絲繩(2)處于d種運動狀態時，柔性鋼絲繩(2)沒有顯示出柔性，無需計算分析；

④、通過步驟③中得到的P在大地坐標系E0下的坐標(XP，YP，ZP)和S1與S2在大地坐標系E0下的坐標(0，0，0)和(0，L，0)解得柔性鋼絲繩(2)變形后的長度為同時通過D1、D2和K并運用胡克定律解得柔性鋼絲繩(2)變形后的長度D1/K+D2/K+L，將通過兩種方法得到的長度進行比較驗證，最后根據柔性鋼絲的形變量ΔX并利用彈性勢能公式得到柔性鋼絲繩(2)的彈性勢能。