柔索驱动并联机构

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1、柔索并联驱动机构：运动接口的应用在过去的十年里，柔索驱动并联机构已经在一些领域得到应用。这篇摘要提出了一种新 型的应用，即使用两个六自由度柔索驱动并联机构共享一个公共的工作区间来获得运动接口 设计的力学基础。这种方法用来发展机制的建模，并描述了两个用于几何优化的主要准则。 这些准则是基于扳手关闭工作区间和运动接口所有实体间的干扰检测之上的（电缆和运动主 体）。然后给出其最终设计及其演示过程。最后，为了校核运动接口设计的机械相关性，需 要计算电缆拉力看其最大值是否符合典型人类步态轨迹。关键词:柔索驱动并联机构，优化设计，运动接口1. 简介柔索并联驱动机构可以克服传统机构的一些缺点。与传统机构相比

2、，它们可以产生很大 的加速度和工作区间。这些优势使其具有广泛的应用前景，因为我们可以用这种几何实现以 前不可能完成的演示。因此，很多研究人员已经致力于柔索驱动机器人，并提出了一些评价 它们动态工作区间和动态特性的分析途径。而且，柔索并联驱动机构在许多应用背景下得到 研究，例如运用电力驱动系统的虚拟运动机器，二维电缆连接触摸界面，用了柔索并联驱动 机器人的高速机械手和飞行模拟器。本文将提出运用两个柔索并联驱动机构共用一个工作区 间来设计运动界面。一些概念曾出现在关于步行模拟器设计的著作中。其中的每一个都可以再现人 类步态的一些特性。举例来说，最知名的实现全方位行走的设备是全方位跑步机（ODT）,

3、 环面跑步机，以及滚珠轴承圆盘平台（OBDP）。然而，这些设计不能复制不平的地形或楼梯。 其他概念例如HapticWalker允许更大步行幅度范围的仿真。该设备能够执行大部分的步行轨 迹，然而脚仅限在垂直平面上移动。最后，一个已知最新的概念被称为虚拟步行机（VWM）。 此机可在各种地形实现人体步态，并指出一个优势即在仿真的过程中用户可以随时改变方 向。同样，本文提出设计的目的在于通过用柔索并联驱动机构取代传统并联驱动机构来改善 虚拟步行机（VWM）的性能。事实上，一个柔索并联驱动机器人的运动部件比传统并联机 器人的轻，从而产生更大的加速度以更准确地再现自然行走过程中大多数不平地形，楼梯， 沙地

4、等的感觉。而且柔索驱动机制具有比传统机制大得多的工作区间。因此，理论上可以设 计一个具有较大工作区间的运动界面。然而，有线机构也存在自己的局限性，最主要的一点 就是电缆的单向性，导致n自由度需要n+1根电缆与之相配。而且电缆与电缆之间、电缆 与工作区间的其他对象之间可能相互产生干扰。如果机制刚度没达到要求末端执行器甚至会 产生振动。本文的目的在于建立有两个完全相同的柔索并联驱动机构的运动界面。为此，提出一种 方法优化将要使用到的建模。首先，要求每个平台精确再现人类步态轨迹的的规范必须介绍 清楚。其次，为了确定一个合适的几何形状，提出了运用连续算法和遗传算法作为循环过程 的解决途径。每个算法包含

5、两个主要准则。例如，基于扳手闭合工作区间和运动接口所有实 体（电缆和运动主体）间机械干扰探测的校核。最后，得到最佳几何形状并评价其性能。同 时由人类步态轨迹计算出电缆以确保机制的使用性。2. 工作区间要求每个平台必须由电缆驱动并且有六个自由度，用以完成规定笛卡尔工作区间内的各种运动。六自由度如图1所示，立方体表示规定的平移工作区间。表1显示了系统必须达到的位Fig. 2 Schematic of the basic concept移和偏转的范围，以使用户能执行一系列不同的轨迹。假设活动区间类似于一个大小为2.0 X0.6X1.0m3的长方体，该大小的活动区间能给用户提供一次舒适的步行体验。同样

6、，假设 转动范围W为正负20。，0为正负45。，为正负45。适于再现不同地形上的人类步态。事实 上，人们知道人类关于0方向上的旋转角大约为70。因此被动旋转关节被列入脚和平台之间 以使用户完成0方向剩余的25度角（见第五页图13）。最后，用于控制平台的电缆数目必须 减少到最小以使潜在干扰的风险降到最低。Table 1 Ranges of displacement and rotationDisplacementRotationAxisRange (m)AngleRange (deg)X= 1.020Y二 0.345Z二 0.5d453. 初步设计为了满足以上所有要求，最初的几何形状必须直观并以

7、之作为优化的出发点。这个构 架如图2所示（图中基本框架的大小为2X2X2m3,末端执行器大小为0.35X0.35X0.35m3）。 由图示可知有8根电缆将末端执行器连着到基本框架（电缆标号为1到8）。事实上，众所周 知至少需要7根电缆来完全限制六自由度平台。但我们选择使用8根电缆来获取一个更大的扭 转闭合工作区间（WCW）。此外，电缆交叉布置以完成规定的旋转范围。事实上，电缆交叉 布置通常会增加工作空间的角度范围并使之成为一个更大的扳手关闭空间。最后，这个设计 包括16个连接点（8个驱动转轴和平台上的8个附着点）。因此有48个参数需要进行优化。简 单起见，假设系统关于Y-Z平面对称，这样就将参

8、数减少到24个。特别的，其中位置坐标x, y, z和点A，A，A，A，B，B，B，B是我们需要进行优化的参数。145814584. 机构几何形状的优化Fig. 3 Kinematic modeling由于假设整体系统的两个机构完全相同，可以确定其中一个机构的形状以得到适合运动 界面的平台。但是在检测完整系统实体间干扰的过程中必须考虑第二个构架。在描述最初几何图形参数设置优化的两种算法使用到的工具之前，有必要提供一个逆运 动学的解决方法。这些方程式需要用来解决干扰的检测。图3说明了柔索并联驱动机械手的运动学建模，其变量定义如下：矢量气代表建立在机架上的惯性坐标系O中驱动轴*的位置矢量；矢量b代表

9、建立在平台上的运动坐标系O 连接点Bi的位置矢量；矢量p=xyz代表平台P在惯性坐标系中的位置（运动坐标系O 的初始位置）；矢量*连接点Bi和*，大小为第i根电缆的长度。记为pi （第i个连接坐标）。平台的方位由三个欧拉角（V，0,）确定，循环矩阵由以下ZYX公约得出：Q = Q嫉Q.Q* 二 QzQrQx（1）逆运动学关系可简单表示如下：接下来的部分将会介绍性能指标的优化算法。4.1性能指标两个主要准则用来描绘给定机构几何形状的性能。第一条准则基于对扳手 闭合工作区间的评价。由于任意扭转动作可由所有或者部分电缆完成，这个六维扭转闭合工 作区间可定义为移动平台的位置和运动方向的集合。最终目标是

10、扭转闭合工作区间能覆盖所有规定的工作范围。如果这个目的可以达到， 理论上可以用整个六维工作区间执行一系列运动轨迹。在实际操作过程中，尽量减小扭转封 闭区间没有覆盖到的规定工作区间比尽量使扭转工作区间大要来得方便。换句话说，即要使 旋转封闭工作区间的补集（CWCW）达到最小值。这个数量的大小用规定工作区间的百分比表示。另外一个判定工作区间性能的指标是所有动作的集合或者它的补集，因为末端执行器 可以完成一个具体的动作。这个扭转力相当于用户的重量，这个性能指标被称为重力补偿工 作区间的补集（CGCW）。这个指标使平台在任意方位时对用户的支撑力在测量范围之内。 事实上，这是机构必须能够实现的最重要的扭

11、转。此外应当指出的是，扳手关闭工作区间补 集是引力补偿工作区间补集的超集。引力补偿工作区间也表示为规定工作区间的百分比。第二个主要准则是机构工作区间内机械干扰的产生。这条准则是通过限定平台执行一 些具体轨迹时整个系统所有实体之间（电缆与电缆，电缆与运动主体）的干扰来评定的。在 描述用以评定这个准则的四条轨迹之前，先要揭示判定干扰产生的分析方法。Fig. 4 Interference detection between two cables这种分析方法在于求出两个实体之间地的最小距离。图4显示了两根可能产生干扰的电 缆。各变量定义如下：矢量叫连接点Ai和距离j电缆最近的电缆i上的一个点；矢量r连

12、接点气和A.；矢量nr沿电缆和电缆j公垂线方向。事实上矢量n可表示为：其中n同样ir是矢量nr的模，矢量叫连接点Bi和A如图4所示。矢量*可以表示为：这样，闭环方程可表示为:（5）中的未知数为*，当点A.和B的位置已知，联合方程（3）和方程（4），方程式 气和。当且仅当如下三个条件全部满足时才能检测到干扰：（1）0Wn1W实体1长度；（2）0Wn声实体2长度；（3）或者n在两个连续状态之间符号改变。在这项工作中，e的值定为0.003m，这意味着我们假设构建运动界面所用电缆 的直径至少为3mm。电缆和其他部件（例如，平台的一个边缘）之间的潜在干扰也可以用同样的步骤来确定。 因此，在检测电缆与运动

13、的平台一个边缘产生的干扰的情况下，所用方法大体相同。不同的 是，图4中的Bi和Ai是平台边缘的顶点，实体2的长度是一个定值。以上介绍的检测整个系统实体间机械干扰的方法是结合一些给定运动轨迹来完成的。在 这个设计方案中，采用了四种轨迹来分析该机构。它们分别如以下描述：（1）第一个轨迹相似于一个典型的人类步态轨迹（轨迹1或T1）；（2）第二是一个人类轨迹和一个与之相反的平台运动环境。执行这个轨迹以确保人 类步态轨迹可以双向执行。这样一来，我们必须使机构几何形状保持对称（轨 迹2或T2）；（3）第三个是覆盖了规定工作区间边界的椭圆形轨迹。这条轨迹达到了 XZ平面的极 限位置并贯穿Y轴。将平台所在位置

14、设为参考坐标（牛=00，0=00，0= + 00）（轨迹3或T3）。（4）最后一条对机构来说是要求非常高的轨迹。末端执行器必须扫遍整个六自由度 工作区间，也就是说，它必须覆盖表1中提出的所有位移和转动范围才能完成 这条轨迹。然后，平台在规定的转动范围内移动。（轨迹4或T4）（5）以上定义的性能指标一两个工作空间性能指标和四个干扰性能指标一将会在下 面的机械结构优化过程中使用到。4.2优化算法描述 在这项工作中使用到的第一个算法定义为基于两条主要准则的迭 代过程。这种算法被称为连续算法，因为是通过分析几何图形所有参数（每次一个）一系列 值和六个性能指标校验得到的结果。事实上，需要进行很多次迭代才

15、能使进程的结果逐步增 加。为了得到一个可行的设计，应该使性能指标的加权和最小以得到所分析参数的最佳值。 这个加权和可以表示为：sum =（7）i=l其中，ni是第i个性能指标，ki是关于第i个指标的加权系数（在这项工作中所有加 权系数的值相同，因为假设所有性能指标重要性相同并且相似指标通常具有相似值）。概括 来说，变量ni定义如下：（1）是扭转闭合封闭区间补集的百分比；（2）是重力补偿工作区间的百分比；（3）是执行轨迹1的过程中机械接触的次数；（4）是执行轨迹2的过程中机械接触的次数；（5）是执行轨迹3的过程中机械接触的次数；（6）是执行轨迹4的过程中机械接触的次数。举例来说，图5显示性能指标如一个几何参数（任意满足该例条件的参数）的函数。在 此例中，参数的最佳值为1.33m （见符号I下面的圆圈），因为在这一点六个指标的和最小。 概括来说，用连续算法优化机构的步骤如下：（1）选择参数进行优化（例如参数A1x （见第三部分）；（2）定义参数的选择范围和该范围的离散步长（例如0.81.8m，0.01m）；（3）估算六个性能指标的值并算出它们的加权和（等式7）；（4） 观察并分析结果，确定一个新的能使和最小的参数值（如图5中的1.33m）；（5）继续优化另一个参数