[发明专利]机器人走柔性钢丝绳实验测试平台及测试方法

权利要求书

1.机器人走柔性钢丝绳测试方法，采用了机器人走柔性钢丝绳实验测试平台，所述机器人走柔性钢丝绳实验测试平台包括左、右相同且对称的两个支撑架(1)以及左、右相同且对称设于左、右支撑架(1)上的柔性钢丝绳牵拉机构(12)，各柔性钢丝绳牵拉机构(12)包括十字轴(3)，所述十字轴(3)的上、下轴端通过上、下轴承座(4)安装于十字轴竖轴架(5)内，十字轴(3)的左、右轴端通过左、右轴承座(4)安装于十字轴横轴架(6)内，所述十字轴横轴架(6)上安装有检测柔性钢丝绳(2)拉力值并将其转化为柔性钢丝绳(2)伸长量的拉力传感器(7)，左、右十字轴竖轴架(5)固定安装于左、右支撑架(1)上，所述柔性钢丝绳(2)拉紧在左、右拉力传感器(7)之间，所述十字轴横轴架(6)上设有检测其上、下摆动角度的绝对编码器(8)和检测其上、下摆动速度的增量编码器(9)，所述十字轴竖轴架(5)上设有检测十字轴横轴架(6)左、右摆动角度的绝对编码器(8)和检测十字轴横轴架(6)左、右摆动速度的增量编码器(9)，其特征在于测试步骤如下：

①、所述柔性钢丝绳(2)左、右端(S1、S2)的距离设为L，柔性钢丝绳(2)的刚度系数设为K；

a、将柔性钢丝绳(2)拉紧并处于水平状态，在柔性钢丝绳(2)上选取一点W，并测出点W与S1的距离位置为L1；

b、将一质量为M的物体固定并悬挂在W点而使柔性钢丝绳(2)产生变形，静止状态下的柔性钢丝绳(2)只在Z轴方向产生变形，此时可通过左、右十字轴横轴架(6)上的绝对编码器(8)测得W点左、右两边柔性钢丝绳(2)的变形角度θ1和θ2，已知一边L和两个角度θ1和θ2后，即可构造三角形S1S2P，可得三角形的三边长度分别为A、B、L；

c、再对W点进行受力分析，重力Mg与W点左右两边的柔性钢丝绳(2)的拉力平衡，而W点左、右两边的钢丝绳(2)的拉力值可通过胡可定律表示为(A-L1)K、(B-(L-L1))K，根据平行四边形法则得出方程

即可解得柔性钢丝绳(2)的刚度系数K，并将柔性钢丝绳(2)左、右端的拉力传感器(7)测得的数值D1与D2分别与(A-L1)K和(B-(L-L1))K进行比较验证；

②、无论走钢丝机器人(11)是一点还是多点与柔性钢丝绳(2)接触，由于走钢丝机器人(11)的跨度相对L来说很小，所以均假设走钢丝机器人(11)只有一点P与柔性钢丝绳(2)接触；

a、在S1处建立钢丝绳坐标系E1，在S2处建立钢丝绳坐标系E2，并且假设初始时，钢丝绳坐标系E1与钢丝绳坐标系E2均与大地坐标系E0平行，而大地坐标系E0的Y轴与柔性钢丝绳(2)初始状态平行且Z轴与水平地面垂直；

b、当走钢丝机器人(11)在柔性钢丝绳(2)上行走时，可通过左边十字轴竖轴架(5)上绝对编码器(8)测得钢丝绳坐标系E1绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q1，并通过左边十字轴横轴架(6)上的绝对编码器(8)测得钢丝绳坐标系E1绕大地坐标系E0的X轴旋转的角度Q2，同时可通过右边十字轴竖轴架(5)上绝对编码器(8)测得钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的Z轴旋转的角度Q3，并通过右边十字轴横轴架(6)上的绝对编码器(8)测得钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的X轴旋转的角度Q4；

c、假设柔性钢丝绳(2)始终处于拉紧状态并不会折叠，所以钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2绕大地坐标系E0的Y轴旋转的角度为0，至此，钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2均完成了一次绕固定坐标系的旋转变换，由旋转变换公式RPY(α，β，γ)＝Rot(Z，γ)Rot(Y，β)Rot(X，α)可计算出钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2转动后的姿态矩阵

和

d、姿态矩阵R01和R02的第二列V1＝(-cosQ2sinQ1，cosQ1cosQ2，sinQ2)和V2＝(-cosQ4sinQ3，cosQ3cosQ4，sinQ4)即为变换后钢丝绳坐标系E1和钢丝绳坐标系E2的Y轴在大地坐标系E0下的方向向量，同时也是柔性钢丝绳(2)变形后P点两边柔性钢丝绳(2)的方向向量，另外，假设S1与S2的连线方向向量为V3＝(0，L，0)，显然，V3与V1和V2在同一平面，即可得到方程(V1×V2)·V3＝0，该方程(1)中的Q1、Q2、Q3、Q4均为编码器测得的已知参数，所以该方程可用于验证作用；

③、假设S1与S2在大地坐标系E0下的坐标为(0，0，0)和(0，L，0)，P在大地坐标系E0下的坐标为(XP，YP，ZP)，因此可得P点两边柔性钢丝绳(2)的方向向量在大地坐标系E0下也可表示为VV1＝(XP，YP，ZP)和VV2＝(-XP，L-YP，-ZP)，而柔性钢丝绳(2)的运动状态分为四种：

a、当Q1、Q2、Q3、Q4均不为0时，柔性钢丝绳(2)在X轴与Z轴方向上均有变形；

b、当Q1和Q3为0而Q2和Q4不为0时，即柔性钢丝绳(2)在X轴方向上无变形，此时XP＝0，柔性钢丝绳(2)只在Z轴方向变形；

c、当Q2和Q4为0而Q1和Q3不为0时，即柔性钢丝绳(2)在Z轴方向上无变形，此时ZP＝0，柔性钢丝绳(2)只在X轴方向变形；

d、当Q1、Q2、Q3、Q4均为0时，即柔性钢丝绳(2)在X轴与Z轴方向上均无变形，此时XP＝0且ZP＝0，此状态由于柔性钢丝绳(2)没有显示出柔性，所以无意义；

当柔性钢丝绳(2)处于a、b、c3种运动状态时，因为VV1和V1是平行向量，VV2和V2也是平行向量，所以VV1中的三个向量分量与V1中对应的三个向量分量有着相同的比例关系，而VV2中的三个向量分量与V2中对应的三个向量分量也有着相同的比例关系，这样可写出方程组

从而解得XP、YP、ZP，即得到了P在大地坐标系E0下的坐标，当柔性钢丝绳(2)处于d种运动状态时，柔性钢丝绳(2)没有显示出柔性，无需计算分析；

④、通过步骤③中得到的P在大地坐标系E0下的坐标(XP，YP，ZP)和S1与S2在大地坐标系E0下的坐标(0，0，0)和(0，L，0)解得柔性钢丝绳(2)变形后的长度为同时通过D1、D2和K并运用胡克定律解得柔性钢丝绳(2)变形后的长度D1/K+D2/K+L，将通过两种方法得到的长度进行比较验证，最后根据柔性钢丝的形变量ΔX并利用弹性势能公式得到柔性钢丝绳(2)的弹性势能。