CN117484479B - 一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绳索牵引并联机器人技术领域，特别是涉及一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人及控制方法，包括底板、绳索和供绳索缠绕的圆柱，底板上设有多个基座，基座围绕在底板上侧形成工作空间，基座的顶部设有导向轮，基座的底部一侧均设有驱动装置，底板上还设有控制装置，工作空间中设有单个圆柱或由多个圆柱构成的网格曲面，网格曲面将障碍物包裹从工作空间中隔离，绳索的一端与驱动装置连接，绳索的另一端绕过导向轮直接或绕过圆柱或网格曲面延伸并与末端执行器连接。本发明解决了现有绳索牵引并联机器人在含多个障碍物的复杂环境中应用受限的问题，使绳索牵引并联机器人可适用于更多含多个障碍物的复杂环境。

Description

一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及绳索牵引并联机器人技术领域，特别是涉及一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人及控制方法。

背景技术

绳索牵引并联机器人是一种由多根绳索驱动末端执行器的机器人。绳索牵引并联机器人具有工作空间大、惯性小、构型设计灵活等优点，在航空航天、医疗、建筑和农业等应用中呈现出了诱人前景。绳索牵引并联机器人可以通过调整固定点的位置增大工作空间，但是现有技术不能灵活地将不需要的空间如障碍物从工作空间中移除，且往往遵循不能发生绳索与障碍物发生碰撞或缠绕的约束，因而现有绳索牵引并联机器人在含多个障碍物的复杂环境中应用受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人及控制方法，解决了现有绳索牵引并联机器人在含多个障碍物的复杂环境中应用受限的问题，使绳索牵引并联机器人可适用于更多含多个障碍物的复杂环境。

为实现上述目的，本发明提供了一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，包括底板、基座、末端执行器、绳索、驱动装置、控制装置、和供绳索缠绕的圆柱，底板上设有多个基座，基座围绕在底板上侧形成工作空间，基座的顶部设有导向轮，基座的底部一侧均设有驱动装置，底板上还设有控制装置，工作空间中设有单个圆柱或由多个圆柱构成的网格曲面，网格曲面将障碍物包裹从工作空间中隔离，绳索的一端与驱动装置连接，绳索的另一端绕过导向轮直接或绕过圆柱或网格曲面延伸并与末端执行器连接。

优选的，圆柱为表面光滑的刚性结构；可供绳索缠绕和构成网格曲面将障碍物包裹并隔离。

优选的，末端执行器上安装有吸盘或夹爪或镜头装置；在含多个障碍物的复杂环境中实现抓取、码垛和监测等功能。

一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1将绳索与驱动装置和末端执行器相连，通过控制装置将控制指令发送给驱动装置，驱动绳索控制末端执行器进行运动，在末端执行器运动的过程中绳索缠绕或不缠绕在圆柱上；

S2对绳索的路径求解，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱；

S3对绳索牵引并联机器人的位姿进行控制，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱。

优选的，S2中绳索缠绕单个圆柱时，对绳索的路径求解具体包括：

S2.1确定绳索在基座上的固定点与圆柱上基座侧分离点所在的圆柱切平面一、绳索在末端执行器上的固定点与圆柱上末端执行器侧分离点所在的圆柱切平面二以及圆柱切平面一和圆柱切平面二之间的夹角；

S2.2将绳索在末端执行器上的固定点与圆柱上末端执行器侧切线展开到圆柱切平面一，在圆柱切平面一内绳索在基座上的固定点与绳索在末端执行器上的固定点之间的绳索路径为直线；

S2.3所述直线为绳索路径在圆柱切平面一内的投影，所述直线与圆柱上基座侧切线在圆柱切平面一内投影的交点为圆柱上基座侧分离点的投影，所述直线与圆柱上末端执行器侧切线在圆柱切平面一内投影的交点为圆柱上末端执行器侧分离点的投影；

S2.4通过圆柱上基座侧分离点的投影和圆柱上末端执行器侧分离点的投影确定圆柱上基座侧分离点和圆柱上末端执行器侧分离点的实际位置；

S2.5基于基座上的固定点、圆柱上基座侧分离点、圆柱上末端执行器侧分离点及末端执行器上的固定点的位置，确定缠绕在单个圆柱上的绳索的路径。

优选的，S2中绳索缠绕多个圆柱时，对绳索的路径求解具体的包括：

S2.1利用树形结构确定绳索缠绕的多个圆柱，将绳索从末端执行器上的固定点到基座上的固定点按缠绕的多个圆柱依次展平到与上一圆柱的切平面，在含绳索在基座上的固定点的切平面内得到展开的含多个圆柱的带状结构；

S2.2在含绳索在基座上的固定点的切平面内绳索在基座上的固定点与绳索在末端执行器上的固定点之间的绳索路径为直线；

S2.3所述直线为绳索路径在含绳索在基座上的固定点的切平面内的投影，所述直线与多个圆柱上基座侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为多个圆柱上基座侧分离点的投影，所述直线与末端执行器侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为末端执行器侧分离点的投影；

S2.4根据多个圆柱上基座侧分离点的投影和末端执行器侧分离点的投影确定多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点的实际位置；

S2.5基于基座上的固定点、多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点、以及末端执行器上的固定点的位置，确定缠绕在多个圆柱上的绳索路径。

优选的，S3中通过求解缠绕在圆柱上的绳索路径，采用基于逆运动学的开环控制框架或基于逆速度运动学的闭环控制框架，实现对绳索牵引并联机器人装置的位姿控制。

优选的，基于逆运动学的开环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的位姿，并根据逆运动学求解绳索目标长度，利用驱动装置实现绳索目标长度来控制末端执行器。

优选的，基于逆速度运动学的闭环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的目标速度，并根据逆速度运动学求解绳索长度变化的目标速度；若末端执行器的目标速度为，绳索长度变化的目标速度/>为：

，

其中表示绳索牵引并联机器人的雅克比矩阵；其后利用驱动装置实现绳索长度变化的目标速度来控制末端执行器。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，由底板、基座、末端执行器、绳索、驱动装置、控制装置、和供绳索缠绕的圆柱组成，柱为表面光滑的刚性结构，可单独供绳索缠绕或构成网格曲面供绳索缠绕，驱动装置用于牵引绳索，控制绳索长度、收放速度或张力，进而控制末端执行器，控制装置用于解算绳索路径和绳长，控制驱动装置牵引绳索，进而控制末端执行器的位姿，绳索具有耐磨性好、摩擦系数小、重量轻等特性，用于连接所述驱动装置和位于基座或末端执行器上的固定点，在含多个障碍物的复杂环境中实现抓取、码垛和监测等功能。

（2）本发明提供的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的控制方法包含绳索缠绕单个或多个圆柱情况下，绳索路径的求解方法；包含绳索缠绕单个或多个圆柱情况下，绳索牵引并联机器人的位姿控制方法，允许绳索缠绕圆柱，进而改变绳索的路径，利用若干个圆柱构成网格曲面，从绳索牵引并联机器人的工作空间中去除对应的空间，进而实现对工作空间的灵活改造，适应含多障碍物的复杂场景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的示意图；

图2是本发明绳索缠绕单个圆柱情况下绳索路径的求解示意图；

图3是本发明绳索缠绕多个圆柱情况下绳索路径的求解示意图；

图4是本发明绳索缠绕多个圆柱情况下绳索路径的树形结构结构图；

图5是本发明末端执行器轨迹的示意图。

附图标记：

1、底板；2、基座；3、末端执行器；4、绳索；5、驱动装置；6、控制装置；7、圆柱；8、导向轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

图1是本发明一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的示意图，如图1所示，本发明提供了一种工作空间灵活的绳索4牵引并联机器人，包括底板1、基座2、末端执行器3、绳索4、驱动装置5、控制装置6、和供绳索4缠绕的圆柱7，底板1上设有多个基座2，基座2围绕在底板1上侧形成工作空间，基座2的顶部设有导向轮8，基座2的底部一侧均设有驱动装置5，底板1上还设有控制装置6，工作空间中设有单个圆柱7或由多个圆柱7构成的网格曲面，网格曲面将障碍物包裹从工作空间中隔离，绳索4的一端与驱动装置5连接，绳索4的另一端绕过导向轮8直接或绕过圆柱或网格曲面延伸并与末端执行器3连接。

圆柱7为表面光滑的刚性结构，可单独供绳索4缠绕或构成网格曲面供绳索4缠绕。驱动装置5用于牵引绳索4，控制绳索4长度、收放速度或张力，进而控制末端执行器3，控制装置6用于解算绳索4路径和绳长，控制驱动装置5牵引绳索4，进而控制末端执行器3的位姿。绳索4具有耐磨性好、摩擦系数小、重量轻等特性，用于连接驱动装置5和位于基座2或末端执行器3上的固定点，末端执行器3可以安装吸盘或夹爪或镜头装置，在含多个障碍物的复杂环境中实现抓取、码垛和监测等功能。

实施例2

一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1将绳索与驱动装置和末端执行器相连，通过控制装置将控制指令发送给驱动装置，驱动绳索控制末端执行器进行运动，在末端执行器运动的过程中绳索缠绕在圆柱上。

S2对绳索的路径求解，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱；

图2是本发明绳索缠绕单个圆柱情况下绳索路径的求解示意图，如图2所示，当绳索缠绕单个圆柱时，对绳索的路径求解具体包括：

S2.1确定绳索在基座上的固定点与圆柱上基座侧分离点/>所在的圆柱切平面一/>、绳索在末端执行器上的固定点/>与圆柱上末端执行器侧分离点/>所在的圆柱切平面二/>以及圆柱切平面一和圆柱切平面二之间的夹角/>；

S2.1.1确定圆柱的底面中心点和顶面中心点/>，圆柱体中心线/>则表示为：

；

其中，为顶面中心点/>的位置，/>为底面中心点/>的位置。

S2.1.2绳索在基座上的固定点与圆柱体中心线/>的距离/>为：

；

其中，为绳索在基座上的固定点/>的位置。

绳索在末端执行器上的固定点与圆柱体中心线/>的距离/>为：

；

其中，为绳索在末端执行器上的固定点/>的位置。

S2.1.3绳索在基座上的固定点与圆柱的底面中心点/>和顶面中心点/>所在的圆柱切平面三/>为：

；

绳索在末端执行器上的固定点与圆柱的底面中心点/>和顶面中心点/>所在的圆柱切平面四/>为：

；

圆柱切平面三与圆柱切平面一/>之间的夹角/>为：

；

圆柱切平面四与圆柱切平面二/>之间的夹角/>为：

；

其中为圆柱体的半径。

S2.1.4根据罗德里格斯的旋转公式，通过将圆柱切平面三旋转角到圆柱切平面一/>，得到圆柱切平面一/>为：

；

通过将圆柱切平面四旋转角到圆柱切平面二/>，得到圆柱切平面二/>为：

；

圆柱切平面一和圆柱切平面二之间的夹角为：

。

S2.2将绳索在末端执行器上的固定点与圆柱上末端执行器侧切线展开到圆柱切平面一/>，在圆柱切平面一/>内绳索在基座上的固定点/>与绳索在末端执行器上的固定点/>之间的绳索路径为直线；

S2.2.1圆柱上基座侧切线的端点分别记为和/>，端点/>在圆柱切平面一上的位置为/>：

；

端点在圆柱切平面一/>上的位置为/>：

；

S2.2.2圆柱上末端执行器侧切线的端点分别记为和/>，端点/>和/>展开到圆柱切平面一/>上对应的投影点为/>和/>；

投影点在圆柱切平面一/>上的位置/>为:

；

投影点在圆柱切平面一/>上的位置/>为：

。

S2.2.3根据罗德里格斯的旋转公式，绳索在末端执行器上的固定点旋转到圆柱切平面一/>上的投影点/>的位置/>为：

；

其中，为圆柱的展开函数。

若为多个圆柱时，第个圆柱的展开函数为/>，则/>。

S2.3所述直线为绳索路径在圆柱切平面一内的投影，所述直线与圆柱上基座侧切线在圆柱切平面一/>内投影的交点为圆柱上基座侧分离点/>的投影点/>，所述直线与圆柱上末端执行器侧切线在圆柱切平面一/>内投影的交点为圆柱上末端执行器侧分离点的投影点/>；

计算出投影点在在圆柱切平面一/>内的位置/>：

。

S2.4通过圆柱上基座侧分离点的投影和圆柱上末端执行器侧分离点的投影确定圆柱上基座侧分离点和圆柱上末端执行器侧分离点/>的实际位置；

计算出圆柱上基座侧分离点的实际位置/>：

；

计算出圆柱上末端执行器侧分离点的实际位置/>:

。

S2.5基于基座上的固定点、圆柱上基座侧分离点/>、圆柱上末端执行器侧分离点/>及末端执行器上的固定点/>的位置，确定缠绕在单个圆柱上的绳索的路径。

图3是本发明绳索缠绕多个圆柱情况下绳索路径的求解示意图，图4是本发明绳索缠绕多个圆柱情况下绳索路径的树形结构结构图，如图3-4所示，当绳索缠绕多个圆柱时，对绳索的路径求解具体的包括：

S2.1利用树形结构确定绳索缠绕的多个圆柱，将绳索从末端执行器上的固定点到基座上的固定点按缠绕的多个圆柱依次展平到与上一圆柱的切平面，在含绳索在基座上的固定点的切平面内得到展开的含多个圆柱的带状结构；

S2.2在含绳索在基座上的固定点的切平面内绳索在基座上的固定点与绳索在末端执行器上的固定点之间的绳索路径为直线；

S2.3所述直线为绳索路径在含绳索在基座上的固定点的切平面内的投影，所述直线与多个圆柱上基座侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为多个圆柱上基座侧分离点的投影，所述直线与末端执行器侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为末端执行器侧分离点的投影；

S2.4根据多个圆柱上基座侧分离点的投影和末端执行器侧分离点的投影确定多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点的实际位置；

S2.5基于基座上的固定点、多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点、以及末端执行器上的固定点的位置，确定缠绕在多个圆柱上的绳索路径。

S3对绳索牵引并联机器人的位姿进行控制，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱。通过求解缠绕在圆柱上的绳索路径，采用基于逆运动学的开环控制框架或基于逆速度运动学的闭环控制框架，实现对绳索牵引并联机器人装置的位姿控制。

S3.1基于逆运动学的开环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的位姿，并根据逆运动学求解绳索目标长度，利用驱动装置实现绳索目标长度来控制末端执行器。

S3.2基于逆速度运动学的闭环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的目标速度，并根据逆速度运动学求解绳索长度变化的目标速度；若末端执行器的目标速度为，绳索长度变化的目标速度/>为：

，

其中表示绳索牵引并联机器人的雅克比矩阵；其后利用驱动装置实现绳索长度变化的目标速度来控制末端执行器。

图5是本发明末端执行器轨迹的示意图，如图5所示，本发明采用上述一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人的控制方法，允许绳索缠绕圆柱，进而改变绳索的路径，利用若干个圆柱构成网格曲面，从绳索牵引并联机器人的工作空间中去除对应的空间，进而实现对工作空间的灵活改造，适应含多障碍物的复杂场景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：包括底板、绳索和供绳索缠绕的圆柱，底板上设有多个基座，基座围绕在底板上侧形成工作空间，基座的顶部设有导向轮，基座的底部一侧均设有驱动装置，底板上还设有控制装置，工作空间中设有单个圆柱或由多个圆柱构成的网格曲面，绳索的一端与驱动装置连接，绳索的另一端绕过导向轮绕过单个圆柱或由多个圆柱构成的网格曲面延伸并与末端执行器连接；

上述绳索牵引并联机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1将绳索与驱动装置和末端执行器相连，通过控制装置将控制指令发送给驱动装置，驱动绳索控制末端执行器进行运动，在末端执行器运动的过程中绳索缠绕在圆柱上；

S2对绳索的路径求解，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱；

S2中绳索缠绕单个圆柱时，对绳索的路径求解具体包括：

S2.1确定绳索在基座上的固定点与圆柱上基座侧分离点所在的圆柱切平面一、绳索在末端执行器上的固定点与圆柱上末端执行器侧分离点所在的圆柱切平面二以及圆柱切平面一和圆柱切平面二之间的夹角；

S2.2将绳索在末端执行器上的固定点与圆柱上末端执行器侧切线展开到圆柱切平面一，在圆柱切平面一内绳索在基座上的固定点与绳索在末端执行器上的固定点之间的绳索路径为直线；

S2.3所述直线为绳索路径在圆柱切平面一内的投影，所述直线与圆柱上基座侧切线在圆柱切平面一内投影的交点为圆柱上基座侧分离点的投影，所述直线与圆柱上末端执行器侧切线在圆柱切平面一内投影的交点为圆柱上末端执行器侧分离点的投影；

S2.4通过圆柱上基座侧分离点的投影和圆柱上末端执行器侧分离点的投影确定圆柱上基座侧分离点和圆柱上末端执行器侧分离点的实际位置；

S2.5基于基座上的固定点、圆柱上基座侧分离点、圆柱上末端执行器侧分离点及末端执行器上的固定点的位置，确定缠绕在单个圆柱上的绳索的路径；

S2中绳索缠绕多个圆柱时，对绳索的路径求解具体的包括：

S2.1利用树形结构确定绳索缠绕的多个圆柱，将绳索从末端执行器上的固定点到基座上的固定点按缠绕的多个圆柱依次展平到与上一圆柱的切平面，在含绳索在基座上的固定点的切平面内得到展开的含多个圆柱的带状结构；

S2.2在含绳索在基座上的固定点的切平面内，绳索在基座上的固定点与绳索在末端执行器上的固定点之间的绳索路径为直线；

S2.3所述直线为绳索路径在含绳索在基座上的固定点的切平面内的投影，所述直线与多个圆柱上基座侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为多个圆柱上基座侧分离点的投影，所述直线与末端执行器侧切线在含绳索在基座上的固定点的切平面内投影的交点为末端执行器侧分离点的投影；

S2.4根据多个圆柱上基座侧分离点的投影和末端执行器侧分离点的投影确定多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点的实际位置；

S2.5基于基座上的固定点、多个圆柱上基座侧分离点和末端执行器侧分离点、以及末端执行器上的固定点的位置，确定缠绕在多个圆柱上的绳索路径；

S3对绳索牵引并联机器人的位姿进行控制，包含绳索缠绕单个圆柱或多个圆柱。

2.根据权利要求1所述的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：圆柱为表面光滑的刚性结构。

3.根据权利要求1所述的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：末端执行器上安装有吸盘或夹爪或镜头装置。

4.根据权利要求1所述的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：S3中通过求解缠绕在圆柱上的绳索路径，采用基于逆运动学的开环控制框架或基于逆速度运动学的闭环控制框架，实现对绳索牵引并联机器人装置的位姿控制。

5.根据权利要求4所述的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：基于逆运动学的开环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的位姿，并根据逆运动学求解绳索目标长度，利用驱动装置实现绳索目标长度来控制末端执行器。

6.根据权利要求4所述的一种工作空间灵活的绳索牵引并联机器人，其特征在于：基于逆速度运动学的闭环控制框架，通过任务空间中的控制装置确定末端执行器的目标速度，并根据逆速度运动学求解绳索长度变化的目标速度；若末端执行器的目标速度为，绳索长度变化的目标速度/>为：

，

其中表示绳索牵引并联机器人的雅克比矩阵；其后利用驱动装置实现绳索长度变化的目标速度来控制末端执行器。