柔性并联机器人系统的运动规划_

柔性并联机器人系统的运动规划
王 文 利１， 曹 鸿 钧２
（ 广东 深圳 ５ １．深圳信息职业技术学院 信息技术研究所 ， １ ８ １ ７ ２； ） 陕西 西安 ７ ２．西安电子科技大学 机电工程学院 ， １ ０ ０ ７ １ 摘要 ： 针对５ 导致舱体动态响应影响定位精 ０ ０ｍ 口径大射电望远镜馈源支撑并联机器人存在悬索速度突变 ， 度的问题 ， 提出了柔性并联机器人系统的运动 规 划 方 法 ． 为实现索长与索速度的同时控制， 采用机器人关节 为保证离散点之间索速度与索加速度的连续性 ， 提出了一 规划理论的启发式策略生成离散点处的悬索速度 ； 种三次 －四次多项式混合插值规划方法 ． 研究结果表明 ， 该运动规划方法生成的索长和索速度数据变 化 平 滑 ， 插值精度满足大射电望远镜的要求 ， 可以解决因索速度突变造成的舱体动态响应和定位精度问题 ． 关键词 ： 大射电望远镜 ； 并联悬索 ； 运动规划 ； 机器人 ； 插值 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ ２． ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ４ ０ ０ ２ ０ １ ４ ０ ６ ０ １ ２ ６ ０ ５ － － －
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３］ 平台完成馈源的精调 ［ 从机构学角度来看 ， 多根悬索组成的柔性并联机器人系统属于以悬索为驱动的并联 ．
这类机构最早由美国国家标准与技术研究院 （ 提 出， 并于２ 机构 ， Ｎ Ｉ Ｓ Ｔ） ０世纪９ ０年代设计了一台采用３根
４］ ］ 悬索驱动的并联机器人原型样机 ［ 文献 ［ 研究了柔索并联机构的动力学 、 工作空间等问题 ． 对于并联机 ． ５ ６ － ］ ７ ８ － 器人系统的研究更多集中在机构学 ， 比如解空间 、 奇异性方面的研究 ［ 文献 ［ 则主要研究了并联系统 ． ９ １ １］ －
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
运动链等问题 ． 针对并联柔性机器人系统精确定位要求的运动规划 方 面 研 究 的 则 较 少 ． 由于此 的逆运动学 、
收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ３ １ ４ ２ ０ １ ４ ０ ４ ０ ４ － － 网络出版时间 ： － － ） ； ） 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ 深圳市知识创新计划资助项目 （ ５ １ １ ７ ５ ３ ９ ８ Ｊ Ｃ Ｙ Ｊ ２ ０ １ ３ ０ ４ ０ １ ０ ９ ５ ９ ４ ７ ２ ２ ７ ， ：ｗ 作者简介 ： 王文利 （ 男， 高级工程师 ， 博士 ， １ ９ ７ １－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｗ ｅ ｎ ｌ ｉ ８ ８ ８＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ． ｇ ： ／ ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版地址 ： ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １ ２ ４ ０ ０． ２ ０ １ ４． ０ ６． ０ ２ １． ｈ ｔ ｍ ｌ － ｐ ｊ
１ 柔性并联机器人系统的运动控制策略
根据天文观测的要求 ， 馈源舱中心需要在跟踪轨迹上进行扫描运动 ， 舱 体 的 姿 态 也 需 要 调 整， 所以采用 根据舱体的位置和姿态来计算悬索的长度 ， 通过伺服系统控制悬索长度的变化来达到 ６ 根悬索来控制舱体 ． 定位舱体的目的 ． 由５ 按照悬索系统的逆运动学模型 ， 计算得到 ０ ０ｍ 口径球面射电望远镜确定的有关参数 ，
３］ ， 的 ６ 根悬索长度的变化是光滑和连续的 ［ 说明只要采取合适的运动控制策略来收放悬索 ， 就可避免舱体产
生大的动态响应 ． 在馈源舱控制过程中 ， 由于将舱体的扫描轨迹离散为若干点 ， 所以对索 长 的 控 制 也 是 分 段 进 行 的 ， 对悬 索的收放采用不同的策略将对悬索 系 统 的 稳 定 性 产 生 不 同 的 影 响 ． ５ ０ ０ｍ 口 径 球 面 射 电 望 远 镜 中 的 馈 源 舱 支撑系统是由 ６ 根悬索共同驱动的 ， 各悬索需要协调一致的动作 ， 才能保证馈源舱定位的准确和稳定 ． 因此 ， 对悬索在实现离散点处精确控制的同时 ， 仍需要考虑点到点之间的过程 ． 鉴于此 ， 对悬索仅仅控制索长的变 对悬索速度也应进行控制 ． 控制过程中同时检测各伺服电机的位移 和 速 度 信 号 ， 速度信号用于 化是不够的 ， 闭环控制以跟踪输入速度 ， 从而控制馈源舱的位置和姿态 ， 位移信号用于位置监控 ， 以保证精度 ． 与机器人运动规划类似 ， 一般数控系统中运动规划的加 、 减速方式是按单段或连续两段路径进行的 ， 难以 所以目前高档数控系统可预读多段加工路径 ， 即具备前瞻功能 ， 能够根据段间夹角 、 设定 达到较高的加工速度 ；
２ ０ １ ４年１ ２月 第４ １卷 第６期
西安电子科技大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｆ Ｘ Ｉ Ｄ Ｉ Ａ Ｎ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｏ
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第 ６ 期 王文利等 ： 柔性并联机器人系统的运动规划
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类机构中柔索是驱动源 ， 而悬索运动速度与加速度的突变会造成被驱动对象产生大的动态响应 ． 对于 ５ ０ ０ｍ 口径球面射电望远镜馈源支撑柔性并联机器人系统 ， 由于其空间尺度更大 、 运动范围更广 、 舱体定位精度高 ， 因此 ， 有必要采用合适的运动规划策略来减少因悬索速度与加速度的突变造成的馈源舱定位精度的下降 ． 文 ］ ， 研究了柔性并联机器人系统解空间问题 笔者基于串联机器人关节规划理论中的启发式策略 自动生 献［ １ ２ ． 为保证离 散 点 之 间 悬 索 速 度 与 加 速 度 的 连 续 ， 提 出 了 一 种 三 次 －四 次 多 成跟踪轨迹中离散点处的悬索速度 ， 项式混合插值法实现离散点之间悬索速度的规划 ．
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， 已于 ２ ５ ０ ０ｍ 口径球面射电望远镜 （ Ｆ ｉ ｖ ｅ ｈ ｕ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ Ａ ｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｓ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｅ ｌ ｅ ｓ ｃ ｏ ｅ Ｆ Ａ Ｓ Ｔ） ０ １ １ 年在 － －ｍ ｐ ｐ ｐ ［ ］ １ ２ － 我国某喀斯特地貌区开始建造 ． Ｆ Ａ Ｓ Ｔ 馈源支撑系统由柔性并联悬索机器人与 Ｓ ｔ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ平台组成宏 －微机 器人系统来实现馈源的空间跟踪 ， 柔性并联 悬 索 机 器 人 系 统 完 成 馈 源 舱 大 范 围 的 空 间 扫 描 和 粗 调 ， Ｓ ｔ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ