[發(fā)明專利]基于位姿索力剛度的繩牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性評價方法

有效

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• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110948481B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋慧玲;羅陸鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 顧思妍;梁瑩

本發(fā)明提供了一種基于位姿索力剛度的繩牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性評價方法，該方法是采用繩牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器的位姿、處于當前位姿的最小繩索張力閾值以及當前位姿的剛度矩陣最小奇異值作為評價末端執(zhí)行器穩(wěn)定性的因素，并對應(yīng)設(shè)置位姿因子、索力因子和剛度因子；通過數(shù)學(xué)加權(quán)方法建立起融合了位姿因子、索力因子和剛度因子的混合評價指標，實現(xiàn)根據(jù)繩牽引并聯(lián)機器人的構(gòu)型和索力優(yōu)化目標設(shè)置不同權(quán)值，得到側(cè)重因素方面的穩(wěn)定性評估。本發(fā)明穩(wěn)定性評價方法填補了目前繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性評價指標和評價方法的缺陷與不足,奠定了繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性研究領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于位姿索力剛度的繩牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性評價方法。

背景技術(shù)

繩牽引并聯(lián)機器人以繩索作為驅(qū)動元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、承載比大、慣性小等優(yōu)點，在高速運動場合得到了應(yīng)用。但是，由于繩索的單向受力性易造成末端執(zhí)行器失穩(wěn)。因此，如何用一種量化的評價指標對末端執(zhí)行器在整個工作空間內(nèi)的穩(wěn)定性進行評價是十分必要的。

Svinin等人通過建立Gough-Stewart平臺的剛度模型，分析了剛度的一些特性，討論了剛性連接的并聯(lián)機構(gòu)的剛度矩陣和穩(wěn)定性間的關(guān)系。其研究表明，當所有柔性關(guān)節(jié)產(chǎn)生的剛度矩陣系數(shù)是正定時，完全約束并聯(lián)機器人是穩(wěn)定的。當末端執(zhí)行器受到外界干擾時，完全約束并聯(lián)機器人的運動有可能失穩(wěn)，因為內(nèi)力所產(chǎn)生的剛度矩陣為非對稱矩陣。盡管該方法從剛度矩陣方面對完全約束的剛性并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性進行了分析。但該方法考慮的因素比較單一，僅從剛度約束的方面對穩(wěn)定性進行了分析，沒有考慮末端執(zhí)行器位姿和約束力等因素對穩(wěn)定性的影響。Behzadipour等人對柔索牽引并聯(lián)機器人總剛度矩陣的求解提出了一種新的方法。并利用該方法求解得到的總剛度矩陣對繩牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性進行了評價。其把一根柔索等效為四個沒有預(yù)緊力的彈簧建立了柔索牽引并聯(lián)機器人的剛度模型。分析了剛度矩陣與機構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系，證明了剛度矩陣的正定與系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件。通過平面的繩牽引并聯(lián)機器人進行了數(shù)值仿真說明其方法的有效性。但是，四個彈簧的剛度代替一根柔索的剛度在矩陣形式上有區(qū)別，彈簧與實際的柔索模型誤差較大，其求解的剛度矩陣存在一定的誤差，因此，它們的近似程度需要商榷。Bosscher等人提出了一種基于斜率的穩(wěn)定性評估方法，通過該方法可以定量的研究欠約束的柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性。但是，該方法沒有綜合考慮剛度、索力等其他因素對穩(wěn)定性的影響。Carricato等人針對柔索牽引并聯(lián)起重機的靜態(tài)平衡點的穩(wěn)定性進行評估。根據(jù)幾何約束條件推導(dǎo)出Hessian矩陣，并分析了矩陣的所有特征值為正是平衡構(gòu)型為穩(wěn)定性的充要條件。Jiang等人根據(jù)Hessian矩陣對應(yīng)用在直升機吊裝上的柔索牽引并聯(lián)機器人的所有平衡構(gòu)型的穩(wěn)定性進行了分析，其認為只要Hessian矩陣是正定的，那么該構(gòu)型就是穩(wěn)定的。Korayem等人考慮柔索彈性和下垂建立了基于柔索彈性懸鏈線模型的剛度矩陣模型。提出了一種以四元數(shù)為基礎(chǔ)的剛度矩陣，分析了剛度與系統(tǒng)穩(wěn)定性間的關(guān)系。但文中只是論述了柔索牽引并聯(lián)機構(gòu)的穩(wěn)定性與剛度矩陣有關(guān)，沒有提出評價指標量化表明這種影響有多大。劉鵬等人對繩牽引并聯(lián)機器人提出了位置性能因子和索力性能因子，并利用其對末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性進行評價。但他沒有考慮柔索剛度對末端執(zhí)行器穩(wěn)定性的影響。Wei等人對繩牽引并聯(lián)機器人提出了索力剛度混合評價指標，但其未考慮位姿對穩(wěn)定性的影響。

繩牽引并聯(lián)機器人采用受力單向性的繩索作為驅(qū)動元件，剛度差、末端執(zhí)行器穩(wěn)定性差等弱點成為了制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。目前的現(xiàn)狀是，繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性的評價指標和評價方法并沒有全面考慮影響末端執(zhí)行器穩(wěn)定性的因素，而是從單一或者其中兩個影響因素對末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性進行分析。因此，對繩牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性研究需有待完善。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種基于位姿索力剛度的繩牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性評價方法，該穩(wěn)定性評價方法填補了目前繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性評價指標和評價方法的缺陷與不足,奠定了繩牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)。