[发明专利]基于混联机构的海浪主动补偿系统的运动学求解方法

说明书

本发明提供的是一种基于混联机构的海浪主动补偿系统的运动学求解方法。逆运动学过程通过上平台末端目标点的位姿参数，求解出动平台在空间的位置和姿态，求各个杆长即各移动副的位移，将所得到的关节运动量输入到补偿平台控制器实现运动控制；正运动学过程通过六个输入杆长度、杆长的约束方程，联立方程组求解出动坐标系在静坐标系中的方向余弦矩阵和动坐标系在静坐标系中的位置向量，求得上平台舷梯末端的齐次变换矩阵，将所得到的舷梯末端在空间的位姿输入到补偿平台控制器实现运动控制。本发明可以使计算过程较为迅速、简单和准确且高效率、应用方便，为海浪主动补偿系统的运动控制提供了依据，能够满足工程上主动补偿系统的工作需求。

技术领域

本发明涉及的是一种运动学求解方法，具体地说是一种基于混联机构的海浪主动补偿系统的运动学求解方法。

背景技术

随着科学技术快速发展及人民生活水平日益提高，清洁能源、绿色能源的发展和使用得到了广泛的关注。广袤的海洋占据了地球约70％的面积，海上风能资源丰富，海上风能的开发和利用早已进入各国视野，风能发电站的安装数量大幅增长，各国纷纷视其为新能源战略中最重要的组成部分。在我国，300多万平方公里的蓝色领土更是蕴藏着巨大的风力资源和发电条件，福建沿海海域安装了大量的海上风能发电站并持续不断地提供清洁能源，为我国沿海经济的发展做出了重要贡献。因此，海上风力发电已成为新能源开发中蕴藏量最大、开发技术最成熟且最有开发前景的领域之一。

然而，在风力资源大力发展的同时也存在许多问题。海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件比起陆地来说更加的艰巨而复杂，同时由于海上潮汐、台风、气流和闪电等多种环境因素，海上风电机组容易出现故障且导致人员从船上到风机平台上十分困难，具有很大的危险性。想要保持廊桥的稳定从而保持人员的安全性，基于混联机构的海浪主动补偿系统的研究就变得十分重要。其中，运动学求解方法的研究是重中之重。

混联机构当中，求运动学正解是最为困难的，反之求逆解则相对容易。其建模求解过程与单独使用并联平台进行海浪补偿的运动学建模相似。各国学者对运动学建模方法进行了深入研究和探索。GRIG J J提出了Denavit-Hartenberg的运动学建模方法，为达到船用起重机的补偿目的，王生海、陈海泉、孙玉清等人在《一种新型船用起重机综合补偿系统原理及运动学模型》中利用该方法，对综合补偿系统进行运动学建模，而后进行运动学正反解。对于并联机构来说，解决位置正解问题主要方法有数值法和解析法两种。数值法中典型的有非线性方程组消元搜索算法，神经网络算法等。哈尔滨工业大学的赵杰等运用空间几何学及矢量代数的方法求解Delta机器人的正解。但此种方法计算速度较慢，不能保证获得全部解，且最终的结果与初值选取有关。解析法是通过消元法消去机构约束方程中的未知数，从而获得输入输出方程中仅含一个未知数的多项式。国内外学者求解正解的解析解，都是从特殊构型到一般构型的思路进行。北京邮电大学梁崇高教授等人对于Stewart三角平台型6腿SPS并联机械手作了复杂的正解求解；黄真教授则利用求解非线性方程组的方法求解，这些方法的最大缺点或是较为费时，或是对计算机的配置要求较高而难以实现。Han K、Chuang W等人提出增设多个传感器的方法以降低求解的难度并加快求解速度，但这样却增加了结构设计的难度，也带来误差问题。

在各国学者的研究基础上，我们认识到由于并联机构的高耦合性，导致平台独立运动性差，并且有它自身的运动极限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现海浪补偿系统的控制要求，为运动控制的研究提供依据的基于混联机构的海浪主动补偿系统的运动学求解方法。

本发明的目的是这样实现的：

逆运动学求解时，包括目标点在空间的位姿参数，上下平台合理坐标系建立。正运动学求解时，包括输入杆长度。

简单来说，已知上平台末端目标点的位姿参数可求解出动平台在空间的位置和姿态，从而求各个杆长即各移动副的位移。