一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置与流程

1.本发明实施例涉及索驱机器人自动控制领域，特别涉及一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置。


背景技术：

2.索驱并联机器人结构简单、质量轻、运动速度快、工作范围大等优点，已在幕墙清洗、设备喷涂、摄像系统、物流运输等领域得到广泛应用。索驱并联机器人结构形式可以分为悬挂式和对拉式，相对于对拉式索驱并联机器人，悬挂式索驱并联机器人运动的控制过程比较简单，工作范围较大，但是其抗扰动能力较弱，在高空中由于风产生的扰动会对索驱动并联机器人的工作造成巨大的影响，安全性和位置的控制精度难以满足日常应用的需求。
3.在高空作业领域中，对拉式索驱并联机器人应用较为广泛，但由于绳索的限制，索驱并联机器人的工作范围可达范围较小。现有技术在对拉式索驱并联机器人工作时，为了增加机器人的工作范围的可达范围，通常采用较短水平间隔移动且按列遍历的方式完成工作范围内的高空作业任务，上述方式虽然可以解决可达范围较小的问题，但是固定绳索的工作位置需要频繁更换，拖慢了工作进度，不利于现场作业。
4.因此，亟需一种满足日常高空作业需求的索驱机器人侧立面工作范围优化方法和装置。


技术实现要素：

5.本发明实施方式的目的在于提供一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法和装置。
6.为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法，具体包括：步骤s1，系统参数获取：建立索驱机器人运动学模型，获取索驱机器人系统参数，系统参数包括固定绳索的静平台信息、动平台信息和绳索信息；步骤s2，系统参数优化：根据索驱机器人运动学模型，优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围；步骤s3，平台位置优化：根据索驱机器人运动学模型优化静平台位置和/或动平台出索点的位置，优化第一工作范围的顶部区域，获得第二工作范围；步骤s4，控制策略优化：根据第二工作范围和索驱机器人运动学模型，确定绳索拉力控制策略，求解最优绳索拉力，优化第二工作范围的两侧工作范围，确定第三工作范围。
7.优选的，静平台信息包括静平台的水平和竖直距离，动平台信息包括动平台的出索点的水平、竖直距离和动平台重量，绳索信息包括绳索的索力极限范围。
8.优选的，根据索驱机器人的受力平衡建立索驱机器人运动学模型，，其
中，，，，j为向量矩阵，t为索力矩阵，w为受力矩阵，g为重力，f为外界的干扰力，m表示合力矩，是绳索的单位方向向量，是力臂的向量，表示索力，。
9.优选的，优化索驱机器人系统参数具体包括：选定基础系统参数，根据索驱机器人运动学模型和基础系统参数求解基础工作范围，计算基础工作范围的覆盖率；根据覆盖率选择系统参数的优化模式，覆盖率为实际可达的工作范围与静平台出索点围成的区域面积比值；根据选择的优化模式优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围。
10.优选的，优化模型包括串行优化模式和并行优化模式，串行优化模式是指根据基础工作范围的覆盖率去除无需优化的系统参数，按优化求解计算量从大到小排列所有剩余的待优化的系统参数，依序逐个求解所有剩余的待优化的系统参数中单个系统参数的最优参数值；并行优化模式是指固定所有系统参数，根据待优化的系统参数对覆盖率的影响同时调整待优化的系统参数，获得最优参数值。
11.优选的，步骤s3具体包括：计算第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积，根据第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积选择平台位置优化方式，根据选定的平台位置优化方式优化第一工作范围的顶部区域，以获得第二工作范围，第二工作范围顶部区域不可达区域面积小于第一工作范围的顶部区域。
12.优选的，平台位置优化方式包括静平台位置优化、动平台出索点位置优化和静平台位置、动平台出索点位置同步优化；静平台位置优化方式具体包括：根据静平台在工作空间中的位置将固定锚点的位置分成n干份，每份区域设有重合面积s，切换固定锚点的位置以改变静平台位置，根据索驱机器人运动学模型和静平台位置求解不同静平台位置下的工作范围，以获得最优工作范围；动平台出索点的位置优化方式具体包括：根据索驱机器人运动学模型和动平台出索点的位置求解不同动平台出索点位置下的工作范围，以获得最优工作范围。
13.优选的，步骤s4具体包括：根据优化后的系统参数、静平台和动平台出索点的位置，确定第二工作范围中索驱机器人不可到达的第一侧边区域和第二侧边区域，第一侧边区域和第二侧边区域分别位于第二工作范围的两侧；判断索驱机器人动平台出索点的位置是否在第一侧边区域和第二侧边区域的边界，若是，降低最小索力的约束，根据索驱机器人运动学模型优化求解最优索力，根据最优索力调整绳索拉力控制策略。
14.优选的，求解最优绳索拉力具体包括：利用二范数优化目标求解最优绳索拉力，
目标函数为，约束条件为，其中，j为向量矩阵，t为索力矩阵，w为受力矩阵，表示索力，，表示绳索索力下限，表示绳索索力上限。
15.本发明还提供一种索驱机器人的侧立面工作范围优化装置，包括：参数获取模块，用于建立索驱机器人运动学模型，获取索驱机器人系统参数，系统参数包括固定绳索的静平台信息、动平台信息和绳索信息。
16.参数优化模块，用于根据索驱机器人运动学模型，优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围。
17.平台优化模块，用于根据索驱机器人运动学模型优化静平台位置和/或动平台出索点的位置，优化第一工作范围的顶部区域，获得第二工作范围。
18.控制策略优化模块，用于根据第二工作范围和索驱机器人运动学模型，确定绳索拉力控制策略，求解最优绳索拉力，优化第二工作范围的两侧工作范围，确定第三工作范围。
19.相对于现有技术而言，本发明提供的索驱机器人侧立面工作范围优化方法和装置，以系统参数优化为基础，平台位置优化、控制策略优化为辅助，各个优化步骤相互独立，互不影响；各个优化步骤的优化效果又相互配合，分别从顶部和两个侧面各个方向扩宽工作范围，提高索驱机器人高空作业能力，且整个控制过程未增加其他复杂的机械结构，降低了系统的复杂性，提供了系统的适用性。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
21.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
22.图1为索驱机器人的侧立面工作范围优化方法流程图；图2为索驱动机器人结构示意图；图3为索驱机器人运动学模型示意图；图4为系统参数优化后的工作范围示意图；图5为静平台优化后的工作范围示意图；图6为动平台优化后的工作范围示意图；图7为控制策略优化后的工作范围示意图；图8为附加绳索增加后的工作范围示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明
的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
24.本发明的第一实施方式涉及一种索驱机器人的侧立面工作范围优化方法，如图1所示，本发明适用于四绳索驱动并联机器人，用于优化四绳索驱动并联机器人的侧立面工作范围。四绳索驱动并联机器人的模型如图2所示，索驱机器人由静平台1、固定锚点2、绳索3、动平台4、移动卷扬机5、固定卷扬机6组成。移动卷扬机5安装到动平台4上，绳索3穿过动平台4内部的移动卷扬机5，一端连接到静平台1的固定锚点2上，另一端与地面上的固定卷扬机6相连，对侧绳索采用同样的方式布设，索驱机器人的待工作区域为静平台围成的区域，本发明使用2根绳索实现四绳索驱动并联机器人的功能，且只需要将2个绕线滚筒安装到固定卷扬机上，通过动平台上的两个移动卷扬机和地面上固定的两个固定卷扬机共计4个卷扬机控制绳索收放，从而实现动平台在工作空间的移动，相较于现有技术中复杂的机械控制结构，本发明使用绳索数量少、静平台顶部的锚点数量少，简化了系统结构，系统结构简单，减少了系统布设时间，与此同时，通过位置变化和力的控制扩大工作范围，保证了高空作业的工作范围。
25.作为一种可选的实施例，移动卷扬机5由电机和绞盘组成，绞盘内部增加突起，绞盘转动收放绳索从而将动平台移动到目标位置，此时绞盘锁定保持静止状态，内部突起固定绳索使其静止状态下不会打滑。将带有突起的绞盘应用在动平台上，减少了绕线滚筒的使用，简化了机械结构系统，同时提高了动平台的稳定性。
26.索驱机器人的侧立面工作范围优化方法包括如下步骤：步骤s1，系统参数获取：建立索驱机器人运动学模型，获取索驱机器人系统参数，系统参数包括固定绳索的静平台信息、动平台信息和绳索信息。
27.根据索驱机器人的受力平衡建立索驱机器人运动学模型，如图3所示，索驱机器人运动学模型可用于表征索驱机器人的动平台在不同位置静止状态下索驱机器人位置、绳索长度和绳索索力之间的关系。
28.索驱机器人运动学模型具体为：，其中，，，，j为向量矩阵，t为索力矩阵，w为受力矩阵，g为重力，f为外界的干扰力，m表示合力矩，是绳索的单位方向向量，是力臂的向量，表示索力，。
29.索驱机器人包括连接绳索、动平台和静平台，静平台和动平台用于固定绳索，获取系统参数，系统参数包括静平台信息、动平台信息和绳索信息，静平台信息包括静平台的水平和竖直距离，动平台信息包括动平台出索点的水平、竖直距离和动平台重量，绳索信息包
括绳索的索力极限范围。
30.步骤s2，系统参数优化：根据索驱机器人运动学模型，优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围。
31.优化索驱机器人系统参数具体包括：选定基础系统参数，根据索驱机器人运动学模型和基础系统参数求解基础工作范围，计算基础工作范围的覆盖率；根据覆盖率选择系统参数的优化模式，覆盖率为实际可达的工作范围与静平台出索点围成的区域面积比值，根据选择的优化模式优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围。优化模式包括串行优化模式和并行优化模式，串行优化模式是指根据基础工作范围的覆盖率去除无需优化的系统参数，按优化求解计算量从大到小排列所有剩余的待优化的系统参数，依序逐个求解所有剩余的待优化的系统参数中单个系统参数的最优参数值；并行优化模式是指固定所有系统参数，根据待优化的系统参数对覆盖率的影响同时调整待优化的系统参数，获得最优参数值。作为一种可选的实施例，根据覆盖率选择系统参数的优化模式包括：若基础工作范围的覆盖率大于等于第一覆盖率阈值，选择串行优化模式；否则，选择并行优化模式。
32.待优化的系统参数对覆盖率的影响具体包括：利用控制变量法改变单一系统参数，确定被改变系统参数对工作范围的影响，最终确定待优化系统参数对工作范围的影响如下表1-7所示。
33.表1 静平台水平距离对工作空间的影响表2 静平台竖直距离对工作空间的影响表3 动平台出索点的水平距离对工作空间的影响表4 动平台出索点的竖直距离对工作空间的影响表5 动平台重量对工作空间的影响表6 最大索力对工作空间的影响
表7 最小索力对工作空间的影响待优化的系统参数对覆盖率的影响均为正相关或负相关，静平台的水平距离越小、竖直距离越大、动平台出索点的水平距离越小、竖直距离越小、动平台重量越轻、最大索力越大、最小索力越小，工作范围越大。基于优化后的系统参数获得索驱机器人的第一工作范围，如图4所示，在系统参数优化后，第一工作范围已经能够覆盖大部分工作区域，但工作范围的左右两侧和顶部不可到达，可以根据高空作业需求进一步优化以扩大工作范围。
34.相较于现有技术通过不断移位达到工作范围的方式，本发明在索驱机器人工作时首先通过系统参数优化获得当前工作场景下最优的参数组合，在无需移动索驱机器人的前提下获得了较大的工作范围，节约了移动布设索驱机器人需要的时间，提高了高空作业的工作效率。
35.在系统参数优化过程中，工作范围覆盖率的大小能够表征需要优化的不可达区域面积的大小，相较于单一优化方式，本发明能够根据覆盖率大小选择不同的优化方式，对于较大不可达区域面积，通过并行优化方法，快速获取最优的系统参数组合，提高了优化求解的速度；对于较小不可达区域面积，通过串行优化方法逐步逼近最优系统参数组合，降低了计算的复杂程度。
36.步骤s3，平台位置优化：根据索驱机器人运动学模型优化静平台位置和/或动平台出索点的位置，优化第一工作范围的顶部区域，获得第二工作范围。
37.计算第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积，根据第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积选择平台位置优化方式，根据选定的平台位置优化方式优化第一工作范围的顶部区域，以获得第二工作范围，第二工作范围顶部区域不可达区域面积小于第一工作范围的顶部区域。平台位置优化方式包括静平台位置优化、动平台出索点位置优化和静平台位置、动平台出索点位置同步优化，根据第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积选择平台位置优化方式，具体包括实时计算优化后的第一工作范围顶部区域的不可达区域的面积，得到待优化面积，若待优化面积大于等于第一面积阈值，选择同步优化方式；若待优化面积小于第一面积阈值且大于等于第二面积阈值，选择静平台位置优化；若面积小于第二面积阈值，选择动平台出索点位置优化，第一面积阈值大于第二面积阈值。
38.静平台位置优化方式具体包括：静平台的下部分为固定卷扬机，固定卷扬机的位置不变，上部分为固定锚点，根据静平台在工作空间中的位置将固定锚点的位置分成n干份，每份区域设有重合面积s，切换固定锚点的位置以改变静平台位置，根据索驱机器人运动学模型和静平台位置求解不同静平台位置下的工作范围，以获得最优工作范围。如图5所示，通过优化静平台布局方式在一定程度上提高了工作空间顶部的区域，四索驱动并联机器人的静平台布局方案仅需要切换顶部固定锚点的位置，一旦确定固定锚点的位置，分多工序进行任务，快速更换，操作简单方便。
39.动平台出索点的位置优化方式具体包括：根据索驱机器人运动学模型和动平台出索点的位置求解不同动平台出索点位置下的工作范围，以获得最优工作范围；若最优工作范围中顶部区域仍存在不可达区域，则将动平台布局方式由对拉式修改为悬挂式，如图6所
示。将对拉式索驱动并联结构调整为悬挂方式，本质上由2索承担动平台的重力优化为4索承担中动平台的重力，必然会扩大工作空间的顶部的区域，本质上与悬挂式没有区别，仍然存在抗扰动性能低的问题，因此仅适用于短时间内优化工作范围的顶部区域。
40.本发明平台位置优化步骤中，能够对静平台和动平台出索点位置进行优化，从而进一步扩大索驱机器人侧立面的工作范围。一方面，平台优化步骤与系统参数优化步骤是相互独立的，两个优化过程互不干扰，且平台优化步骤中静平台位置优化和动平台出索点位置优化方式也相互独立，本发明能够根据工作范围扩大的需求选择一种或者多种优化方式；另一方面，平台优化步骤与系统参数优化步骤的效果相互叠加，可以在已有工作范围的基础上进一步扩大索驱机器人的工作范围，提高高空作业的效能。
41.选择进行静平台位置和动平台出索点位置优化时，本发明能够根据第一工作范围的实际情况自动选择优化方式，对于顶部区域存在较大不可达区域时，能够利用多种方式同时优化，快速缩小不可达区域；对于顶部区域不可达区域逐步缩小后，通过单一优化的方式扩大工作范围。在静平台位置和动平台出索点位置优化时，由于静平台的位置优化需要更换固定锚点的位置，即需要更改设备的布置方式，因此优先选用静平台位置方式，当静平台位置优化固定完成后，再选用无需更换布置方式的动平台出索点位置优化方式。相较于采用单一方式优化平台位置，本发明能够根据第一工作范围的实际情况和实时变化选择平台位置优化方式，最大程度扩大工作范围。
42.作为一种可选的实施例，计算第一工作范围顶部不可达区域的面积，若顶部不可达区域的面积大于顶部工作阈值，进入步骤s3，采用平台位置优化方法对第一工作范围进行优化。
43.本发明提供的各个优化步骤相互独立又互相配合，根据工作范围优化的需求，可以选择是否进行平台位置优化，而平台位置优化又提供了多种优化方式，多个优化步骤、优化方式便于工作范围优化方法根据工作范围实际情况选择搭配，提高了优化方法的灵活性和适用性。
44.步骤s4，控制策略优化：根据第二工作范围和索驱机器人运动学模型，确定绳索拉力控制策略，求解最优绳索拉力，优化第二工作范围的两侧工作范围，确定第三工作范围。
45.根据优化后的系统参数、静平台和动平台出索点的位置，确定第二工作范围中索驱机器人不可到达的第一侧边区域和第二侧边区域，第一侧边区域和第二侧边区域分别位于第二工作范围的两侧；在索驱机器人动平台移动过程中，判断索驱机器人动平台出索点的位置是否在第一侧边区域和第二侧边区域的边界，若是，降低最小索力的约束，根据索驱机器人运动学模型优化求解最优索力，根据最优索力调整绳索拉力控制策略，使绳索处于张紧和松弛的临界状态。如图7所示，四索驱动并联机器人工作空间左右两侧区域不可达的原因是索力不在预期的范围内，在动平台进行高空作业并到达左右两侧区域时，通过优化控制策略，在不满足索力范围的时刻，降低最小索力的约束，优化求解获得最优索力，使绳索处于张紧和松弛的临界状态，一定程度上提高了左右两侧的可达区域。
46.索驱机器人属于冗余索机构，在任务空间每个位置处分为无解、一组索力解、多组索力解的情况，无法利用运动学模型直接求解索力以进行优化控制，因此通常将索力优化求解问题转化为优化问题。
47.求解最优绳索拉力具体包括：利用二范数优化目标求解最优绳索拉力，目标函数
为，约束条件为，其中，j为向量矩阵，t为索力矩阵，w为受力矩阵，表示索力，，表示绳索索力下限，表示绳索索力上限。为了避免索驱机器人在作业过程中绳索断裂，根据绳索的材质设置绳索索力的上限，同时为了防止绳索虚牵，影响控制精度，根据工程经验设置绳索索力下限的初始值，在优化求解过程中，降低绳索索力的下限，求解最优绳索拉力。
48.本发明提供的控制策略优化步骤，针对工作范围作业两侧的不可达区域进行优化，通过不断优化绳索拉力控制动平台移动到两侧的不可达区域。相较于通过移动索驱机器人整体设备以使作业范围覆盖两侧不可达区域，本发明能够仅通过绳索拉力优化控制使索驱机器人能够到达两侧不可达区域，简化了索驱机器人工作过程，提高了其高空作业的效能。
49.进一步的，索驱机器人侧立面工作范围优化方法还包括：工作范围优化，根据当前实时工作范围确定是否需要增加绳索，当前实时工作范围是采取优化方式之后获得工作范围，即第二工作范围或第三工作范围；若需要，增设附加绳索，根据附加绳索索力和当前实时工作范围，确定第四工作范围；若不需要，完成当前实时工作范围的优化。
50.作为一种可选的实施例，在获得第三工作范围后，计算第三工作范围中的不可达区域面积，若不可达区域面积小于等于作业阈值，完成工作范围优化；若不可达区域面积大于作业阈值，确定第三工作范围中的不可达区域，在动平台上方增设附加绳索，根据不可达区域的位置调整附加绳索和索驱机器人绳索的索力，实现不可达区域的作业。
51.增加附加绳索的方式如图8所示，在两个固定锚点之间增加一根带垂度的表面光滑的钢索，钢索上套一个可以滑动的圆环，附加绳索一端连接到圆环上，另一端连接到动平台上，随着动平台的移动，附加绳索随之移动，且始终保持竖直状态。
52.已有绳索的拉力是存在极限的，即对于部分高空作业情况，一定会存在不可达区域，本发明提供的增加附加索以优化工作范围的方式，系统结构简单，无需增加复杂的机械结构，附加绳索不需要电机驱动，既可以给动平台提供额外的辅助力，增加索驱机器人侧立面工作范围，又可以作为安全绳保护防止意外发生。增加附加绳索相当于增加一个向上的外力，或者也可以等效减轻动平台的重量。
53.本发明提供的索驱机器人的侧立面工作范围优化方法，以系统参数优化为基础，平台位置优化、控制策略优化为辅助，增大了索驱机器人侧立面的工作范围，使索驱机器人工作空间跨度大、速度快，执行大跨度任务可以一次或几次完成，节省换道时间，大大提高工作效率。本发明提供的优化方法，系统结构简单，未新增复杂的机械结构，以系统参数优化为核心，各个优化步骤相互独立，互不影响，可以根据高空作业的实际情况进行选择，省略不方便实施的步骤；此外，各个优化步骤的优化效果又相互配合，优化绳索的控制策略，实时控制绳索的拉力可以增加左右两侧的工作范围，其他优化方式可以提高工作范围的上边界，从而实现工作范围各个方向的扩宽，提高索驱机器人高空作业能力。
54.本发明第二实施例提供一种索驱机器人的侧立面工作范围优化装置，索驱机器人由静平台1、固定锚点2、绳索3、动平台4、移动卷扬机5、固定卷扬机6组成。
55.索驱机器人的侧立面工作范围优化装置具体包括：
参数获取模块，用于建立索驱机器人运动学模型，获取索驱机器人系统参数，系统参数包括固定绳索的静平台信息、动平台信息和绳索信息。
56.参数优化模块，用于根据索驱机器人运动学模型，优化索驱机器人系统参数，获得第一工作范围。
57.平台优化模块，用于根据索驱机器人运动学模型优化静平台位置和/或动平台出索点的位置，优化第一工作范围的顶部区域，获得第二工作范围。
58.控制策略优化模块，用于根据第二工作范围和索驱机器人运动学模型，确定绳索拉力控制策略，求解最优绳索拉力，优化第二工作范围的两侧工作范围，确定第三工作范围。
59.进一步的，索驱机器人的侧立面工作范围优化装置还包括：工作范围优化模块，用于根据当前实时工作范围确定是否需要增加绳索，当前实时工作范围是采取优化方式之后获得工作范围，即第二工作范围或第三工作范围；若需要，增设附加绳索，根据附加绳索索力和当前实时工作范围，确定第四工作范围；若不需要，完成工作范围优化。
60.不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
61.值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
62.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。