本發(fā)明涉及一種繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人及其空間解算位姿解算方法。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機(jī)器人具有工作空間大、負(fù)載能力強(qiáng)、快速可重構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，繩索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)使得目標(biāo)工作平臺(tái)的工作范圍更大、運(yùn)動(dòng)速度更快，正在被廣泛運(yùn)用到各種操作機(jī)構(gòu)中，通過(guò)控制繩索的輸出長(zhǎng)度來(lái)控制動(dòng)平臺(tái)在工作空間中的位置姿態(tài)；在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中不僅需要精確控制繩索的輸出長(zhǎng)度，同時(shí)需要檢測(cè)繩索上拉力；現(xiàn)有的繩索驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置中多不能集成測(cè)量裝置，傳統(tǒng)測(cè)量方法是通過(guò)將繩索與拉力傳感器串聯(lián)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但是應(yīng)用范圍窄，測(cè)量效果差，影響線路布局。當(dāng)繩索數(shù)目大于動(dòng)平臺(tái)自由度時(shí)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方程為冗余的非線性方程，不能得到顯式的空間位姿正反解，空間位姿解算非常復(fù)雜，且難以獲得實(shí)時(shí)且精確的位姿解。

國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410146203.1的專利公開(kāi)了一種具有張緊力測(cè)量功能的高精度卷索裝置，該裝置由設(shè)置在滑臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)裝置和固定在平臺(tái)上的測(cè)量裝置組成，其測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且需要通過(guò)另外一臺(tái)電機(jī)來(lái)控制移動(dòng)卷筒，造價(jià)成本更高。其自身不具有繩索導(dǎo)引功能，需要依賴于其他導(dǎo)引裝置來(lái)引導(dǎo)繩索牽引方向；

國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110026500.9的專利公開(kāi)了一種能實(shí)現(xiàn)快速重構(gòu)的繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，該裝置有多組驅(qū)動(dòng)模塊、換向裝置和輸出裝置組成，但是由于沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)量拉力，所以控制精度較低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，造價(jià)成本更高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人及其空間位姿求解方法，以期能利用空間姿態(tài)解算方法求解得到驅(qū)動(dòng)繩索長(zhǎng)度與動(dòng)平臺(tái)在工作空間中的位置姿態(tài)，從而精確控制動(dòng)平臺(tái)在繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人工作空間中的位姿，進(jìn)而提高繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)控制精度，完成在工作空間內(nèi)的工作任務(wù)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)包括：動(dòng)平臺(tái)、若干個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置、主體機(jī)架和若干繩索；

根據(jù)任務(wù)需要在所述主體機(jī)架的任意位置上設(shè)置有所述繩索驅(qū)動(dòng)裝置；所述繩索驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)所述柔性繩索與所述動(dòng)平臺(tái)相連，并利用空間位姿求解方法獲得所述動(dòng)平臺(tái)在所述主體機(jī)架的內(nèi)部空間中的位姿，從而利用所述柔性繩索牽引所述動(dòng)平臺(tái)達(dá)到所述主體機(jī)架內(nèi)的相應(yīng)位置，并改變所述動(dòng)平臺(tái)的相應(yīng)姿態(tài)。

本發(fā)明所述的多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)也在于，所述動(dòng)平臺(tái)包括：若干個(gè)安裝平板、若干個(gè)型材支架和繩索固定裝置；

在任意一個(gè)安裝平板上表面和下表面上均勻分布有若干個(gè)帶有螺紋孔的圓形凹槽；任意兩個(gè)安裝平板之間通過(guò)所述型材支架進(jìn)行連接固定；在所述圓形凹槽上設(shè)置有所述繩索固定裝置；

所述繩索固定裝置包括：可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)、外殼、軸承、旋轉(zhuǎn)底座、固定底座；

所述可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)固定在所述旋轉(zhuǎn)底座的頂部；所述旋轉(zhuǎn)底座的外側(cè)通過(guò)所述軸承與所述外殼相連接；所述外殼的直徑與所述安裝平板上圓形凹槽的直徑相匹配；在所述旋轉(zhuǎn)底座的底部設(shè)置有所述固定底座；在所述固定底座的中間位置上設(shè)置有螺紋通孔，所述螺紋通孔與所述圓形凹槽上的螺紋孔相對(duì)應(yīng)。

所述繩索驅(qū)動(dòng)裝置包括：一對(duì)主體支架、一對(duì)支撐桿、繩索、繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)、實(shí)時(shí)拉力測(cè)量機(jī)構(gòu)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置；

所述繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)包括：一對(duì)支撐光軸、刻槽卷筒、傳動(dòng)絲杠、移動(dòng)滑臺(tái)、直線軸承、同步帶、同步帶從動(dòng)輪與同步帶主動(dòng)輪；

所述實(shí)時(shí)拉力測(cè)量機(jī)構(gòu)包括：滑輪、拉壓力測(cè)量傳感器、滑輪支架、拉壓力傳感器支架以及旋轉(zhuǎn)支架；

所述伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括：減速機(jī)和伺服電機(jī)；

在所述一對(duì)主體支架之間的中心位置處設(shè)置有所述刻槽卷筒，在所述刻槽卷筒的下方設(shè)置有所述一對(duì)支撐桿；在所述刻槽卷筒的端軸上設(shè)置有所述同步帶主動(dòng)輪；在所述刻槽卷筒的上方設(shè)置有一對(duì)支撐光軸；在所述一對(duì)支撐光軸的上方之間設(shè)置有所述傳動(dòng)絲杠；在所述傳動(dòng)絲杠的端軸上設(shè)置有同步帶從動(dòng)輪；所述同步帶從動(dòng)輪與所述同步帶主動(dòng)輪之間通過(guò)所述同步帶連接，并位于所述一對(duì)主體支架的前端支架上；在所述傳動(dòng)絲杠和一對(duì)支撐光軸上設(shè)置有移動(dòng)滑臺(tái)；在所述移動(dòng)滑臺(tái)的兩側(cè)通過(guò)直線軸承與所述一對(duì)支撐光軸相連接；

在所述移動(dòng)滑臺(tái)上通過(guò)所述拉壓力傳感器支架設(shè)置有拉壓力測(cè)量傳感器，且所述拉壓力測(cè)量傳感器的水平面與所述移動(dòng)滑臺(tái)的安裝平面平行；在所述移動(dòng)滑臺(tái)的前端面，且與所述安裝平面垂直的位置上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)支架；所述旋轉(zhuǎn)支架與所述滑輪支架之間通過(guò)軸銷連接；在所述滑輪支架的上端處設(shè)置有上通孔，所述上通孔通過(guò)軸銷與所述拉壓力測(cè)量傳感器相連；在所述滑輪支架的下端處設(shè)置有下光孔，所述下通孔通過(guò)軸銷與所述滑輪相連；在所述刻槽卷筒上纏繞有所述繩索，所述繩索垂直向上繞過(guò)所述滑輪后水平延伸至所述一對(duì)主體支架的前端支架外側(cè)；

在所述一對(duì)主體支架的后端支架外側(cè)設(shè)置有減速機(jī)；所述減速機(jī)的輸出軸通過(guò)軸鍵與所述刻槽卷筒的輸入軸相連；所述減速機(jī)的輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與所述伺服電機(jī)相連；

所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述減速機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，并一起帶動(dòng)所述刻槽卷筒同步旋轉(zhuǎn)，使得所述同步帶主動(dòng)輪通過(guò)同步帶帶動(dòng)所述傳動(dòng)絲杠同步旋轉(zhuǎn)，由所述傳動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)所述移動(dòng)滑臺(tái)沿著所述一對(duì)支撐光軸軸向前后運(yùn)動(dòng)，從而利用所述滑輪實(shí)現(xiàn)所述繩索能在所述刻槽卷筒上進(jìn)行纏繞或釋放。

在所述一對(duì)主體支架的前端支架上設(shè)置有萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)；所述萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)包括：萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架、軸銷和導(dǎo)向滑輪，

在所述萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架上通過(guò)軸銷與所述導(dǎo)向滑輪相連接；

在所述萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架的底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸，所述旋轉(zhuǎn)軸的中心設(shè)有繩索導(dǎo)入孔；所述繩索從所述繩索導(dǎo)入孔中穿出并經(jīng)過(guò)所述導(dǎo)向滑輪實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向?qū)С觥?/p>

本發(fā)明一種利用所述的多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的空間位姿求解方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、利用式(1)建立所述動(dòng)平臺(tái)的空間位姿和繩長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

^bli＝^bbi-^bx-^brp^ppi(1)

式(1)中，^bli表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中連接第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度；^bbi＝[^bbi,x^bbi,y^bbi,z]^t表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置的位置坐標(biāo)，^bx＝[^pxi,x^pxi,y^pxi,z^pxi,α^pxi,β^pxi,γ]^t表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中所述動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)，^brp表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中所述動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于主體機(jī)架的空間旋轉(zhuǎn)矩陣，^ppi＝[^ppi,x^ppi,y^ppi,z]^t表示動(dòng)平臺(tái)局部坐標(biāo)系p中第i個(gè)繩索固定裝置的位置坐標(biāo)；并有：^bpi＝^brp^ppi，表示動(dòng)平臺(tái)局部坐標(biāo)系p中第i個(gè)繩索固定裝置在主體機(jī)架坐標(biāo)系b中的位置；且^bpi＝[^bpi,x^bpi,y^bpi,z]^t；i＝1…m；m表示繩索驅(qū)動(dòng)裝置的總數(shù)；

步驟2、根據(jù)所述動(dòng)平臺(tái)在所述主體機(jī)架坐標(biāo)系b中的空間位置和姿態(tài)^bx對(duì)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行反解，得到第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與相應(yīng)的所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li；

步驟2.1、利用式(2)得到所述第i個(gè)導(dǎo)向滑輪繞萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的夾角為θi：

步驟2.2、利用式(3)得到所述第i個(gè)導(dǎo)向滑輪的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)在主體機(jī)架上的位姿^bmi＝[^bmi,x^bmi,y^bmi,z]^t：

式(3)中，表示第i個(gè)導(dǎo)向滑輪繞萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架上z軸旋轉(zhuǎn)θi角時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣；ρ表示所述導(dǎo)向滑輪的半徑；^bex表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中x軸的單位向量；

步驟2.3、利用式(4)得到第i個(gè)繩索在第i個(gè)導(dǎo)出滑輪上的纏繞角度αi：

αi＝π-(αi,1+αi,2)(4)

式(4)中，αi,1表示第i個(gè)導(dǎo)向滑輪繞萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架上z軸與動(dòng)平臺(tái)的夾角，αi,2表示第i個(gè)繩索與動(dòng)平臺(tái)的夾角，并有：

步驟2.4、利用式(6)得到主體機(jī)架坐標(biāo)系b中第i個(gè)導(dǎo)向滑輪的繩索引出位置^bsi：

步驟2.5、利用式(7)得到第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li：

li＝ρ·(π-αi)+||^bsi-^bpi||2(7)

步驟3、根據(jù)所述第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li對(duì)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行正解，得到所述主體機(jī)架坐標(biāo)系b中所述動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bx；

步驟3.1、對(duì)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行求導(dǎo)，得到繩長(zhǎng)變化的雅克比矩陣jinv(l(t))：

式(8)中，l表示繩長(zhǎng)向量，并有l(wèi)＝[^bl1^bl2…^bli…^blm]；l(t)表示繩長(zhǎng)向量l對(duì)時(shí)間t的函數(shù)；^bp＝^bx表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)；并有：動(dòng)平臺(tái)的位姿變化的雅克比矩陣為jforw(^bp(t))＝j(luò)inv(l(t))^-1；^bp(t)表示空間位置和姿態(tài)對(duì)時(shí)間t的函數(shù)；

步驟3.2、利用式(9)得到第i個(gè)柔性繩索長(zhǎng)度li的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程：

步驟3.3對(duì)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程進(jìn)行優(yōu)化求解，得到第k次迭代下主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bpk：

步驟3.3.1、定義收斂參數(shù)為β、σ和μ0，并初始化β,σ∈(0,1)，μ0＞0；

定義迭代次數(shù)為k；并初始化k＝0；

定義容許誤差為ε，且0＝ε＝1；

定義初始位姿點(diǎn)為

步驟3.3.2、根據(jù)式(8)計(jì)算第k次迭代下動(dòng)平臺(tái)的位姿變化的雅克比矩陣jforw(^bpk(t))，并判斷||jforw(pk(t))||≤ε是否成立，若成立，則停止計(jì)算，返回第k次迭代下主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bpk作為位姿的正解點(diǎn)，否則執(zhí)行步驟3.3.3；

步驟3.3.3、求解式(10)，得到第k次迭代的步長(zhǎng)dk：

(jforw(pk(t))^tjforw(pk(t))+μki)dk＝-jforw(pk(t))^tfuc(^bpk)(10)

式(10)中，μk表示第k次迭代的收斂參數(shù)；i表示對(duì)角矩陣；

步驟3.3.4、令第k次迭代的最小非負(fù)整數(shù)mk滿足式(11)：

步驟3.3.5、將賦值給ωk后，得到^bpk+1＝^bpk+ωkdk；

步驟3.3.6、利用式(12)得到第k+1次迭代的收斂參數(shù)μk+1后，返回步驟3.3.2：

式(12)中，rk表示收斂參數(shù)μk取值的判定條件，τ1表示判定條件rk的下限；τ2表示判定條件rk的上限；δ1表示收斂參數(shù)μk的第一比例因子；δ2表示收斂參數(shù)μk的第一比例因子；τ1∈(0,0.5)，τ2＝1-τ1；δ1∈(0,1)；δ2＝100δ1；并有：

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，采用模塊化設(shè)計(jì)的高精度繩索驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)平臺(tái)以及主體機(jī)架，模塊化設(shè)計(jì)的高精度繩索驅(qū)動(dòng)裝置具有實(shí)時(shí)繩索輸出拉力測(cè)量裝置，結(jié)合萬(wàn)向?qū)С鲅b置可以根據(jù)任務(wù)需求在主體機(jī)架上任何位置布置繩索輸出裝置，重新構(gòu)造新的繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型，從而提高了繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的利用率以及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，提供的空間位姿解算方法解決了現(xiàn)有繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人不能實(shí)時(shí)求解空間位姿的難題，保證了繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的位姿控制精度。

2、本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)的高精度繩索驅(qū)動(dòng)裝置和動(dòng)平臺(tái)能夠根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要來(lái)進(jìn)行布置安裝，繩索驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)置有繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⒗K索順序且均勻地纏繞在卷筒上或者從卷筒上釋放，保證了繩索的輸出或者回收的速度與電機(jī)速度恒定，提高了繩索的控制精度。

3、本發(fā)明繩索驅(qū)動(dòng)裝置的繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)上設(shè)置有根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)拉力測(cè)量裝置，該裝置實(shí)施方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；繩索在卷筒纏繞或者釋放時(shí)實(shí)時(shí)拉力測(cè)量裝置輔助繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)將繩索在刻槽卷筒上纏繞或者釋放，不會(huì)與繩索脫落，實(shí)時(shí)反饋繩索上拉力；

4、本發(fā)明繩索驅(qū)動(dòng)裝置前端輸出位置設(shè)置有萬(wàn)向?qū)С鲅b置，萬(wàn)向?qū)С鲅b置的滑輪引導(dǎo)繩索繞自身軸旋轉(zhuǎn)并導(dǎo)向空間任意位置，不需要其他輔助導(dǎo)引機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)置繩索的輸出位置，提高了機(jī)器人的可重構(gòu)性和繩索輸出的精度；

5、本發(fā)明提供了空間位姿求解方法包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的空間位姿正解和空間位姿反解方法，空間位姿反解方法是基于本發(fā)明使用的高精度繩索驅(qū)動(dòng)裝置，有效提高了繩索的輸出控制精度；

6、本發(fā)明利用優(yōu)化算法來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程進(jìn)行求解，保證了能夠獲得工作空間中的全局最優(yōu)解和高精度的位姿解；并提高了模型的精度，降低了方程的復(fù)雜度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人示意圖；

圖2為本發(fā)明交叉連接構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的示意圖；

圖3為本發(fā)明順序連接構(gòu)型動(dòng)平臺(tái)示意圖；

圖4為本發(fā)明交叉連接構(gòu)型動(dòng)平臺(tái)示意圖；

圖5為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)安裝示意圖；

圖6為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的高精度繩索驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；

圖7為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系示意圖；

圖8a為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的萬(wàn)向?qū)С龌喚植孔鴺?biāo)系左視圖；

圖8b為本發(fā)明多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的萬(wàn)向?qū)С龌喚植孔鴺?biāo)系上視圖；

圖中標(biāo)號(hào)：安裝平板1200、型材支架1100、可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1301、外殼1302、軸承1303、旋轉(zhuǎn)底座1304、固定底座1305、支架2101、支撐桿2102、繩索2103、同步帶主動(dòng)輪2201、同步帶2202、同步帶從動(dòng)輪2203、支撐光軸2204、刻槽卷筒2205、直線軸承2206、移動(dòng)滑臺(tái)2207、傳動(dòng)絲杠2208、滑輪2301、滑輪支架2302、旋轉(zhuǎn)支架2303、拉壓力傳感器2304、軸銷2305、拉壓力傳感器支架2306、減速機(jī)2401、伺服電機(jī)2402、萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架2501、軸銷2502、萬(wàn)向?qū)С龌?503、主體機(jī)架3000；

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，一種多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人包括：動(dòng)平臺(tái)1000、若干個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置2000、主體機(jī)架3000和若干繩索4000；

根據(jù)任務(wù)需要在所述主體機(jī)架3000的任意位置上設(shè)置有所述繩索驅(qū)動(dòng)裝置2000；如圖1所示，動(dòng)平臺(tái)1000位于主體機(jī)架3000的內(nèi)部空間中，可以在內(nèi)部空間中任意改變位置姿態(tài)；繩索驅(qū)動(dòng)裝置2000通過(guò)所述柔性繩索4000與所述動(dòng)平臺(tái)1000相連，并利用空間位姿求解方法獲得所述動(dòng)平臺(tái)1000在所述主體機(jī)架3000的內(nèi)部空間中的位姿，從而利用所述柔性繩索4000牽引所述動(dòng)平臺(tái)1000達(dá)到所述主體機(jī)架3000內(nèi)的相應(yīng)位置，并改變所述動(dòng)平臺(tái)1000的相應(yīng)姿態(tài)。柔性繩索4000與動(dòng)平臺(tái)1000的連接方式可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示的是一種交叉連接構(gòu)型的繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人；繩索驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)目也可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要進(jìn)行調(diào)整，繩索驅(qū)動(dòng)裝置利用自身繩索4000牽引動(dòng)平臺(tái)在機(jī)體框架3000內(nèi)的空間任意位置上運(yùn)動(dòng)；動(dòng)平臺(tái)上可以附加通用操作設(shè)備，通過(guò)移動(dòng)操作動(dòng)平臺(tái)來(lái)移動(dòng)操作設(shè)備完成工作任務(wù)。如圖3所示，繩索固定裝置1300可以安裝在安裝平板1200反面，構(gòu)成反向交叉形式；

如圖4所示，多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)1000包括：若干個(gè)安裝平板1200、若干個(gè)型材支架1100和繩索固定裝置1300；

在任意一個(gè)安裝平板1200上表面和下表面上均勻分布有若干個(gè)帶有螺紋孔的圓形凹槽；這些凹槽的位置不固定，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置；任意兩個(gè)安裝平板之間通過(guò)型材支架1100進(jìn)行連接固定，型材支架的尺寸可以調(diào)整動(dòng)平臺(tái)的尺寸來(lái)獲得需要的運(yùn)動(dòng)性能；在圓形凹槽上設(shè)置有繩索固定裝置1300；

如圖5所示，繩索固定裝置包括：可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1301、外殼1302、軸承1303、旋轉(zhuǎn)底座1304、固定底座1305；

可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1301固定在旋轉(zhuǎn)底座1304的頂部；旋轉(zhuǎn)底座1304的外側(cè)通過(guò)軸承1303與外殼1302相連接；外殼1302的直徑與安裝平板1200上圓形凹槽的直徑相匹配，可以提高固定底座1305的定位精度；外殼上也可以設(shè)置螺紋，同時(shí)在安裝平板上設(shè)置螺紋，這樣就可以省去在固定底座1305設(shè)置固定用的螺紋；在旋轉(zhuǎn)底座1304的底部設(shè)置有固定底座1305；在固定底座1305的中間位置上設(shè)置有螺紋通孔，螺紋通孔與圓形凹槽上的螺紋孔相對(duì)應(yīng)；固定底座設(shè)置的固定螺紋數(shù)目根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同任務(wù)負(fù)載的要求；

如圖6所示，多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的繩索驅(qū)動(dòng)裝置2000包括：一對(duì)主體支架2101、一對(duì)支撐桿2102、繩索2103、繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)2200、萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)2500、實(shí)時(shí)拉力測(cè)量機(jī)構(gòu)2300和伺服驅(qū)動(dòng)裝置2400；主體支架2101底部設(shè)置有螺紋安裝孔，可以配合主體機(jī)架3000上的標(biāo)準(zhǔn)型材安裝凹槽進(jìn)行固定安裝；固定安裝的位置和姿勢(shì)不固定，可以按照如圖1或者圖2的方式進(jìn)行固定，也可以將繩索驅(qū)動(dòng)裝置以垂直姿態(tài)固定在主體機(jī)架3000上；具體的安裝方式可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)需要進(jìn)行調(diào)整；

繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)2200包括：一對(duì)支撐光軸2204、刻槽卷筒2205、傳動(dòng)絲杠2208、移動(dòng)滑臺(tái)2207、直線軸承2206、同步帶2202、同步帶從動(dòng)輪2203與同步帶主動(dòng)輪2201；支撐光軸2204和傳動(dòng)絲杠2208具有負(fù)載支撐的作用，同時(shí)可以牽引移動(dòng)滑臺(tái)2207做水平方向的移動(dòng)；支撐光軸2204和傳動(dòng)絲杠2208的數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)負(fù)載需求進(jìn)行調(diào)整，也可以采用直線導(dǎo)軌來(lái)替代支撐光軸2204或者傳動(dòng)絲杠2208；

實(shí)時(shí)拉力測(cè)量機(jī)構(gòu)包括：滑輪2301、拉壓力測(cè)量傳感器2304、滑輪支架2302、拉壓力傳感器支架2306以及旋轉(zhuǎn)支架2303；實(shí)時(shí)拉力測(cè)量機(jī)構(gòu)的工作原理是利用杠桿原理，將水平方向和豎直方向的繩索拉力通過(guò)杠桿作用傳遞到拉壓力傳感器；

萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)包括：萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架2501、萬(wàn)向?qū)С龌?503與軸銷2502；

伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括：減速機(jī)2401和伺服電機(jī)2402；伺服電機(jī)采用帶高精度編碼器的電機(jī)，可以反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并轉(zhuǎn)換成繩索運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度反饋給上位機(jī)控制系統(tǒng)；減速機(jī)這里采用行星齒輪減速機(jī)，行星齒輪減速機(jī)具有減速比大，效率高，尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，也可以根據(jù)任務(wù)需要來(lái)設(shè)置其他減速機(jī)；

在一對(duì)主體支架2101之間的中心位置處設(shè)置有刻槽卷筒2205，刻槽卷筒上按照順時(shí)針螺旋線銑刻了標(biāo)準(zhǔn)的圓形凹槽或者梯形凹槽，凹槽的尺寸根據(jù)實(shí)際使用的繩索直接來(lái)一一對(duì)應(yīng)；刻槽卷筒可以采用經(jīng)過(guò)表面硬化處理的鋁合金材料制作加工，降低卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高能量利用效率；也可以用冶金陶瓷制作，陶瓷制作的卷筒具有表面光潔度高，摩擦力小的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于鋁合金材料能夠承載更大的負(fù)載；在刻槽卷筒2205的下方設(shè)置有一對(duì)支撐桿2102；在刻槽卷筒2205的端軸上設(shè)置有同步帶主動(dòng)輪2201；同步帶傳動(dòng)裝置主要用來(lái)傳遞卷筒上的力矩至移動(dòng)滑臺(tái)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)滑臺(tái)做水平方向運(yùn)動(dòng)；可以采用齒輪或者其他鏈條或者帶傳動(dòng)方式，但是要保證繩索在刻槽卷筒上的移動(dòng)和移動(dòng)滑臺(tái)的移動(dòng)速度同步；在刻槽卷筒2205的上方設(shè)置有一對(duì)支撐光軸2204；在一對(duì)支撐光軸2204的上方之間設(shè)置有傳動(dòng)絲杠2208；在傳動(dòng)絲杠2208的端軸上設(shè)置有同步帶從動(dòng)輪2203；同步帶從動(dòng)輪2203與同步帶主動(dòng)輪2201之間通過(guò)同步帶2202連接，并位于一對(duì)主體支架2101的前端支架上；在傳動(dòng)絲杠2208和一對(duì)支撐光軸2204上設(shè)置有移動(dòng)滑臺(tái)2207；在移動(dòng)滑臺(tái)2207的兩側(cè)通過(guò)直線軸承2206與一對(duì)支撐光軸2204相連接；

在移動(dòng)滑臺(tái)2207上通過(guò)拉壓力傳感器支架2306設(shè)置有拉壓力測(cè)量傳感器2304，且拉壓力測(cè)量傳感器2304的水平面與移動(dòng)滑臺(tái)2207的安裝平面平行；在移動(dòng)滑臺(tái)207的前端面，且與安裝平面垂直的位置上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)支架2303；旋轉(zhuǎn)支架2303與滑輪支架2302之間通過(guò)軸銷連接；在滑輪支架2302的上端處設(shè)置有上通孔，上通孔通過(guò)軸銷與拉壓力測(cè)量傳感器2304相連；在滑輪支架2302的下端處設(shè)置有下通孔，下通孔通過(guò)軸銷與滑輪2301相連；在刻槽卷筒2205上纏繞有繩索2103，繩索2103垂直向上繞過(guò)滑輪2301后水平延伸至一對(duì)主體支架2101的前端支架外側(cè)；實(shí)時(shí)拉力測(cè)量裝置2300是利用杠桿原理進(jìn)行測(cè)量繩索拉力，這里將旋轉(zhuǎn)支架2303中間位置設(shè)置旋轉(zhuǎn)用的固定通孔，上通孔連接拉壓力傳感器2304，下通孔連接滑輪，兩個(gè)通孔距離中間位置的旋轉(zhuǎn)通孔相等的距離，這樣滑輪上所受的繩索拉力就等于拉壓力傳感器上測(cè)量得到壓力；也可以根據(jù)需要改變這個(gè)杠桿力臂的長(zhǎng)度比值，來(lái)調(diào)整拉壓力傳感器上所受力大??；

如圖6所示，在一對(duì)主體支架2101的后端支架外側(cè)設(shè)置有減速機(jī)2401；通過(guò)減速機(jī)2401的輸出軸的軸鍵與刻槽卷筒2205的輸入軸相連，并傳遞電機(jī)的扭矩，也可以通過(guò)聯(lián)軸器連接；減速機(jī)2401的輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)2402相連；

伺服電機(jī)2402驅(qū)動(dòng)減速機(jī)2401順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，并一起帶動(dòng)刻槽卷筒2205同步旋轉(zhuǎn)，使得同步帶主動(dòng)輪2201通過(guò)同步帶2202帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠2208同步旋轉(zhuǎn)，由傳動(dòng)絲杠2208驅(qū)動(dòng)移動(dòng)滑臺(tái)2207沿著一對(duì)支撐光軸2204軸向前后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑輪2301前后運(yùn)動(dòng)，從而利用滑輪2301實(shí)現(xiàn)繩索2103能在刻槽卷筒2205上進(jìn)行順序纏繞或釋放，避免繩索直接在卷筒上纏繞時(shí)繩索之間干擾，干擾電機(jī)編碼器對(duì)繩索輸出長(zhǎng)度的計(jì)算。

在一對(duì)主體支架2101的前端支架上設(shè)置有萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)2500；萬(wàn)向?qū)С鰴C(jī)構(gòu)包括萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架2501、軸銷2502和導(dǎo)向滑輪2503；

在萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架2501上通過(guò)軸銷2502與導(dǎo)向滑輪2503相連接；

在萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架2501的底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的中心設(shè)有繩索導(dǎo)入孔；繩索2103從繩索導(dǎo)入孔中穿出并經(jīng)過(guò)導(dǎo)向滑輪2503實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向?qū)С觥＠K索從萬(wàn)向?qū)С鲅b置出發(fā)連接至動(dòng)平臺(tái)的可旋轉(zhuǎn)固定環(huán)，萬(wàn)向?qū)С鲅b置可以任意改變導(dǎo)出方向，同時(shí)固定圓環(huán)可以繞自身軸旋轉(zhuǎn)，保證了動(dòng)平臺(tái)位于工作空間任意位置時(shí)繩索的運(yùn)動(dòng)距離是可以通過(guò)空間位姿解算方法進(jìn)行計(jì)算。

本實(shí)施例中，一種多構(gòu)型繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的空間位姿求解方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、建立如圖7所示坐標(biāo)系，其中主體機(jī)架坐標(biāo)系b可以建立在任意位置，表示為世界坐標(biāo)系；平臺(tái)局部坐標(biāo)系p可以建立在動(dòng)平臺(tái)重心，也可以建立在動(dòng)平臺(tái)上的任意位置，一般選擇建立在動(dòng)平臺(tái)的一個(gè)繩索固定點(diǎn)上，方便計(jì)算；利用式(1)建立動(dòng)平臺(tái)的空間位姿和繩長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

^bli＝^bbi-^bx-^brp^ppi(1)

式(1)中，^bli表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中連接第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度；^bbi＝[^bbi,x^bbi,y^bbi,z]^t表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置的位置坐標(biāo)，^bx＝[^pxi,x^pxi,y^pxi,z^pxi,α^pxi,β^pxi,γ]^t表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)，^brp表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于主體機(jī)架的空間旋轉(zhuǎn)矩陣，^ppi＝[^ppi,x^ppi,y^ppi,z]^t表示動(dòng)平臺(tái)局部坐標(biāo)系p中第i個(gè)繩索固定裝置的位置坐標(biāo)；并有：^bpi＝^brp^ppi，表示動(dòng)平臺(tái)局部坐標(biāo)系p中第i個(gè)繩索固定裝置在主體機(jī)架坐標(biāo)系b中的位置；且^bpi＝[^bpi,x^bpi,y^bpi,z]^t；i＝1…m；m表示繩索驅(qū)動(dòng)裝置的總數(shù)；

步驟2、根據(jù)動(dòng)平臺(tái)在主體機(jī)架坐標(biāo)系b中的空間位置和姿態(tài)^bx對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行反解，得到第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與相應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li；

步驟2.1、如圖8所示，為了示意準(zhǔn)確，將3維坐標(biāo)系分別投影到二維坐標(biāo)空間中；滑輪繞萬(wàn)向?qū)С鲋Ъ苄D(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，利用式(2)得到第i個(gè)導(dǎo)向滑輪繞萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的夾角為θi：

步驟2.2、建立如圖8(a)和如圖8(b)所示的局部坐標(biāo)系，利用式(3)得到第i個(gè)萬(wàn)向?qū)С龌喌闹行狞c(diǎn)在主體機(jī)架上的位置^bmi＝[^bmi,x^bmi,y^bmi,z]^t：

式(3)中，^bmi表示萬(wàn)向?qū)С龌喌闹行狞c(diǎn)，即滑輪自身旋轉(zhuǎn)軸的中心點(diǎn)位置；滑輪不僅繞萬(wàn)向?qū)С鲋Ъ苄D(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，還可以繞自身旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其自身旋轉(zhuǎn)軸軸心點(diǎn)跟隨繩索方向改變，可通過(guò)式(3)求得；如圖8所示，表示第i個(gè)導(dǎo)向滑輪的輪繞萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)支架上局部坐標(biāo)系z(mì)軸旋轉(zhuǎn)θi角時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣，即為萬(wàn)向?qū)С龌喌木植孔鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換到主體機(jī)架坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；ρ表示所述導(dǎo)向滑輪的半徑；^bex表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中x軸的單位向量；

步驟2.3、利用式(4)得到第i個(gè)繩索在第i個(gè)導(dǎo)出滑輪上的纏繞角度αi：

αi＝π-(αi,1+αi,2)(4)

式(4)中，αi,1表示第i個(gè)導(dǎo)向滑輪的局部坐標(biāo)系z(mì)軸與動(dòng)平臺(tái)的夾角，αi,2表示第i個(gè)繩索與動(dòng)平臺(tái)的夾角，并有：

步驟2.4、利用式(6)得到主體機(jī)架坐標(biāo)系b中第i個(gè)導(dǎo)向滑輪的繩索引出位置^bsi：

步驟2.5、綜合以上各式，并帶入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型式(1)得到式(7)，從而利用式(7)得到第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li：

li＝ρ·(π-αi)+||^bsi-^bpi||2(7)

步驟3、根據(jù)第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行正解，得到主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bx；

步驟3.1、對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行求導(dǎo)，得到繩長(zhǎng)變化的雅克比矩陣jinv(l(t))：

式(8)中，l表示繩長(zhǎng)向量，并有l(wèi)＝[^bl1^bl2…^bli…^blm]；l(t)表示繩長(zhǎng)向量l對(duì)時(shí)間t的函數(shù)；^bp表示主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)；并有：動(dòng)平臺(tái)的位姿變化的雅克比矩陣為jforw(^bp(t))＝j(luò)inv(l(t))^-1；^bp(t)表示空間位置和姿態(tài)對(duì)時(shí)間t的函數(shù)；

步驟3.2、將運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的求解過(guò)程看作是優(yōu)化過(guò)程，則可以將運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程寫作優(yōu)化目標(biāo)，即得到式(9)，利用式(9)得到第i個(gè)柔性繩索長(zhǎng)度li的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程：

步驟3.3、根據(jù)第i個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)裝置與所述動(dòng)平臺(tái)上第i個(gè)繩索固定裝置的柔性繩索的長(zhǎng)度li，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程進(jìn)行優(yōu)化求解，得到第k次迭代下主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bpk：

步驟3.3.1、定義收斂參數(shù)為β、σ和μ0，并初始化β,σ∈(0,1)，μ0＞0；

定義迭代次數(shù)為k；并初始化k＝0；為了保證優(yōu)化算法在最壞的情況下跳出迭代過(guò)程，需要給迭代次數(shù)設(shè)置一個(gè)最大上限，最大上限可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定；在本算法求解過(guò)程中，一般不超過(guò)20次迭代就可以收斂得到非常準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果；

定義容許誤差為ε，且0＝ε＝1；容許誤差體現(xiàn)了算法結(jié)果的精度，容許誤差越小，結(jié)果精度越高；如果容許誤差太小，則會(huì)使迭代次數(shù)增加，算法計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)；如果容許誤差太大，則會(huì)使得計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；所以在設(shè)定容許誤差初值時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合確定；如果需要進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，則可以適當(dāng)增大容許誤差；

定義初始位姿點(diǎn)為在本算法中，初始位姿點(diǎn)可以任意選取在繩索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的工作空間中；但是初始位姿點(diǎn)的選取會(huì)影響算法迭代的收斂速度，初始位姿點(diǎn)與待求解的位姿點(diǎn)距離較近時(shí)，可以加快算法的收斂速度；

步驟3.3.2、根據(jù)式(8)計(jì)算第k次迭代下動(dòng)平臺(tái)的位姿變化的雅克比矩陣jforw(^bpk(t))，并判斷||jforw(pk(t))||≤ε是否成立，若成立，則停止計(jì)算，返回第k次迭代下主體機(jī)架坐標(biāo)系b中動(dòng)平臺(tái)在內(nèi)部空間中的空間位置和姿態(tài)^bpk作為位姿的正解點(diǎn)，否則執(zhí)行步驟3.3.3；

步驟3.3.3、求解式(10)，得到第k次迭代的步長(zhǎng)dk：

(jforw(pk(t))^tjforw(pk(t))+μki)dk＝-jforw(pk(t))^tfuc(^bpk)(10)

式(10)中，μk表示第k次迭代的收斂參數(shù)；i表示對(duì)角矩陣；

步驟3.3.4、令第k次迭代的最小非負(fù)整數(shù)mk滿足式(11)：

步驟3.3.5、將賦值給ωk后，得到^bpk+1＝^bpk+ωkdk；

步驟3.3.6、利用式(12)得到第k+1次迭代的收斂參數(shù)μk+1后，返回步驟3.3.2：

式(12)中，rk表示收斂參數(shù)μk取值的判定條件，τ1表示判定條件rk的下限；τ2表示判定條件rk的上限；δ1表示收斂參數(shù)μk的第一比例因子；δ2表示收斂參數(shù)μk的第一比例因子；τ1∈(0,0.5)，τ2＝1-τ1；δ1∈(0,1)；δ2＝100δ1；判定條件并有：