[发明专利]一种柔索牵引拣矸机器人运动稳定性评价方法

摘要

本发明公开了一种柔索牵引拣矸机器人运动稳定性评价方法，从拣矸机器人末端抓斗当前位置点在工作空间所处的相对位置、最弱约束方向上的柔索拉力以及末端抓斗的运动速度等三个方面评价柔索牵引拣矸机器人运动的稳定性，提出了一种集机器人末端位置、约束力以及末端速度为一体的三位一体运动稳定性评价方法，进而为提升柔索牵引拣矸机器人稳定性方法提供参考。

主权项

一种柔索牵引拣矸机器人运动稳定性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据拣矸机器人运动学模型，求得柔索矢量O′Bi在全局坐标系中的长度i＝1,2,3,4，进而获得末端抓斗在工作空间任一位置点处4根柔索中拉力最小的柔索的方向与水平面的夹角θ＝arcsin((H‑ozo′)/ρi)，其中，ozo′为末端执行器与绳索铰接点所在平面的高度坐标；H为索塔的高度；ρi为在位置点P、Q、M处4根柔索中索拉力最小的柔索的长度；θP、θQ、θM分别为点P、Q、M处的θ角；同时，在拣矸机器人冗余索拉力求解模型式JT＝W的基础上，(其中矩阵J为拣矸机器人的雅克比矩阵；向量T为拣矸机器人各个柔索的索张力向量；向量W为广义力向量)求得末端抓斗在当前位置点处的索拉力向量，进而通过下式进行拣矸机器人末端抓斗在工作空间任一位置点处的最小索拉力的计算：Tmin＝min(T)                  (1)式中，min(·)表示索拉力向量的最小分量；S2、基于拣矸机器人动力学分析与冗余索拉力优化解，分别提出了两个位置性能因子和两个索拉力性能因子，用于描述拣矸机器人末端抓斗当前位置点在工作空间所处的位置以及约束最弱方向上的索拉力对末端执行器运动稳定性的影响；立方体为拣矸机器人的工作空间；末端抓斗在工作空间中的任一位置用点P来表示；拣矸机器人工作空间竖直中线用a表示；末端抓斗任意位置点P所在的水平面与竖直中线a的交点用Q表示；竖直中线a最上面的位置点用M表示；位置P、Q和M处的最小索力分别用TP,min,TQ,min和TM,min表示；位置P、Q和M处所有绳索中索拉力最小的绳索与水平面的夹角分别用γP,γQ和γM表示；拣矸机器人末端抓斗在位置点P、Q以及M处的运动速度分别用vP、vQ以及vM表示。在上述基础上，提出两个位置性能因子和来衡量末端抓斗当前位置点距该位置点所在平面中心以及上边界的距离，分别表示为：进一步由式(1)，提出两个索拉力性能因子和用于研究最小索拉力在工作空间的水平切面以及竖直中线上的分布情况，分别表示为：式中，XP为当前位置点P处的坐标向量；4个力位因子的取值范围都为[0,1]区间；S3、为了量化拣矸机器人末端抓斗运动速度对其运动稳定性的影响，提出速度影响函数f(vP)用于表征末端抓斗在当前所处位置点处的运动速度对拣矸机器人运动稳定性的影响，速度影响函数f(vP)必须具备如下性质：1)为了采用区间[0,1]的正数来量化末端抓斗在当前位置点处稳定度，函数f(vP)的值域f(vP)∈[0,1]；2)末端抓斗在当前位置点处的稳定度随着其在该位置点处速度的增大而减小；3)末端抓斗在当前位置点P处的速度为vP，当vP＝0时，也就是在当前位置点处，不考虑末端抓斗速度影响的情况；当vP＝vmax时，也就是在当前位置点处，末端抓斗的运动速度达到最大，我们规定在末端抓斗速度最大的位置点处，其运动稳定度为0；其余位置点处的稳定度介于上述两种极限情况之间；S4、综合式(2)、(3)、(4)、(5)以及拣矸机器人末端抓斗速度影响函数f(vP)，提出了评价柔索牵引拣矸机器人末端抓斗动态稳定性的三位一体稳定性指标Ωd，其数值的大小称之为运动稳定度，用公式表示为：Ωd(XP)＝Ωm(XP)f(vP)                 (6)式中，p1、p2、q1和q2为权系数，且p1+p2＝1，q1+q2＝1；一般地，Ωm(XP)的取值范围为Ωm∈[0,1]。