Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly

Jin-shan YU; Xiao LI; Guo-xing WANG; Jian-guo TAO; Hao-wei WANG

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Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly

更新时间：2021-08-25

- Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly
- Optics and Precision Engineering Pages: 1-12(2021)
- 作者机构：
  
  1.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
  2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094
  3.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
- 作者简介：
  
  E-mail： jgtao@hit.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： V476.5
- Received：21 April 2021，
  
  Revised：28 May 2021，
- 稿件说明：
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于金山,李潇,王国星等.面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制[J].光学精密工程,

YU Jin-shan,LI Xiao,WANG Guo-xing,et al.Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly[J].Optics and Precision Engineering,
于金山,李潇,王国星等.面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE..0001

YU Jin-shan,LI Xiao,WANG Guo-xing,et al.Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE..0001

摘要

为了通过改变刚度的途径提高一种面向在轨装配的索并联机构的工作性能，提出了变刚度控制算法，并进行了仿真与实验验证。首先建立了所要研究的索并联机构的完整刚度模型。其次，分析了绳索张力分布对不同方向刚度的影响。然后，考虑影响绳索张力分布的矢量

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的安全边界，建立了变刚度控制算法，该算法消除了刚度模型中对整体影响较小的耦合刚度，提高了计算效率，并且可以通过分配权重的方式对不同方向的刚度进行不同优先级的控制。最后，通过仿真与实验的方式对变刚度控制算法的效果进行了验证。以旋拧操作为例，仿真结果表明：在对运动平台施加一定扰动力时，采用变刚度控制算法求解出的索力分布可以使薄弱方向的振动降低35%，样机实验结果表明，在对索并联机构样机进行刚度控制后，刚度的测量值与理论值具有较强的拟合性，误差分别为16.3%和14.6%。变刚度控制算法可以通过改变索并联机构的刚度的方式提高其工作性能，具有较强的实用性，并且可以用于不同类型的冗余索并联机构。

Abstract

In order to improve the performance of a cable-driven parallel mechanism（CDPM） for on-orbit assembly through changing its stiffness， a variable stiffness control algorithm is proposed. The specific effect was verified by simulation and experiment. First， the complete stiffness model of the CDPM is established. Secondly， the influence of tension distribution on the stiffness in different directions is analyzed and studied. Then， considering the safety margin of the vector

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which affects the tension distribution， a variable stiffness control algorithm for the CDPM is established. The algorithm eliminates the coupling stiffness that has a small effect on the overall stiffness in the stiffness model， improves the calculation efficiency， and can assign weights to control the stiffness in different directions with different priority. Finally， the effect of the variable stiffness control algorithm is verified through simulation and experiment. Taking the screwing operation as an example， the simulation results show that when disturbing force is applied to the moving platform， the tension distribution obtained by the variable stiffness control algorithm can reduce the vibration in the weak direction by 35%， the prototype experiment results show that after the stiffness control of the CDPM prototype， the measured value of the stiffness has a strong fit with the theoretical value， and the errors are 16.3% and 14.6%， respectively. The proposed variable stiffness control algorithm can improve the performance of the CDPM by changing the stiffness of it. It has strong practicability and can be used for different types of redundant CDPM..

关键词

Keywords

references

李团结，马小飞，华岳，等 . 大型空间天线在轨装配技术［J］. 载人航天， 2013 ， 19 （ 1 ）： 86 - 90 .

LI T J ， MA X F ， HUA Y ， et al . On-orbit assembly technology of large space antennas ［J］. Manned Spaceflight ， 2013 ， 19 （ 1 ）： 86 - 90 . （in Chinese）

时月天，侯绪研，饶笑山，等 . 面向空间太阳能电站在轨装配的爬行机器人关键技术［J］. 空间电子技术， 2018 ， 15 （ 2 ）： 106 - 112 .

SHI Y T ， HOU X Y ， RAO X SH ， et al . Research on the key technology of crawler robot orbiting on space solar power station ［J］. Space Electronic Technology ， 2018 ， 15 （ 2 ）： 106 - 112 . （in Chinese）

刘宏，蒋再男，刘业超 . 空间机械臂技术发展综述［J］. 载人航天， 2015 ， 21 （ 5 ）： 435 - 443 .

LIU H ， JIANG Z N ， LIU Y CH . Review of space manipulator technology ［J］. Manned Spaceflight ， 2015 ， 21 （ 5 ）： 435 - 443 . （in Chinese）

赵裕明，金振林 . 含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构逆动力学建模［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 4 ）： 807 - 819 .

ZHAO Y M ， JIN ZH L . Inverse dynamics modeling of 3-RPS/3n-SPS parallel mechanism with redundant limbs ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 807 - 819 . （in Chinese）

赵新华，刘培昌，赵磊，等 . 大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 2 ）： 305 - 315 .

ZHAO X H ， LIU P CH ， ZHAO L ， et al . Kinematic decoupling and velocity adaptive planning ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 305 - 315 . （in Chinese）

EDEN J ， LAU D ， TAN Y ， et al . Available acceleration set for the study of motion capabilities for cable-driven robots ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2016 ， 105 ： 320 - 336 .

ALBUS J ， BOSTELMAN R ， DAGALAKIS N . The NIST robocrane ［J］. Journal of Robotic Systems ， 1993 ， 10 （ 5 ）： 709 - 724 .

南仁东 . 500 m球反射面射电望远镜FAST ［J］. 中国科学G辑：物理学、力学、天文学， 2005 ， 35 （ 5 ）： 449 - 466

NAN R D . 500 m Spherical reflector radio telescope FAST ［J］. Science in China （Series G）， 2005 ， 35 （ 5 ）： 449 - 466 （in Chinese）

LAFOURCADE P ， LLIBRE M ， REBOULET C . Design of a parallel wire-driven manipulator for wind tunnels ［J］. Fundamental Issues and Future Research Directions for Parallel Mechanisms and Manipulators ， Quebec City， Quebec， Canada ， 2002 ： 187 - 194 .

VERHOEVEN R ， HILLER M ， WorkspaceTADOKORO S. ， Stiffness ， Singularities and Classification of Tendon-Driven Stewart PlatformsAdvances in Robot Kinematics ： Analysis and Control ， 1998 ： 105 - 114 . DOI： 10.1007/978-94-015-9064-8_11 http://dx.doi.org/10.1007/978-94-015-9064-8_11 .

李保坤，刘向阳，杨洪涛，等 . 新型悬丝约束支撑微纳测头的变刚度特性分析［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 2 ）： 402 - 409 .

LI B K ， LIU X Y ， YANG H T ， et al . Variable stiffness characteristic analysis of a novel micro-nano probe with wire constraint suspension ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 2 ）： 402 - 409 . （in Chinese）

王克义，郭钽，张立勋，等 . 绳索牵引康复机器人运动误差及仿真分析［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2008 ， 29 （ 11 ）： 1210 - 1215 .

WANG K Y ， GUO T ， ZHANG L X ， et al . The simulation and movement errors analysis of wire-driven rehabilitative robots ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2008 ， 29 （ 11 ）： 1210 - 1215 . （in Chinese）

隋春平，赵明扬 . 3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂的刚度控制［J］. 机械工程学报， 2006 ， 42 （ 6 ）： 205 - 210 .

SUI CH P ， ZHAO M Y . Statics and stiffness study on a 3-dof parallel wire driven flexible manipulator ［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering ， 2006 ， 42 （ 6 ）： 205 - 210 . （in Chinese）

BEHZADIPOUR S ， KHAJEPOUR A . Erratum： “stiffness of cable-based parallel manipulators with application to stability analysis ［J］. Journal of Mechanical Design ， 2006 ， 128 （ 6 ）： 303 - 310 .

刘欣，仇原鹰，盛英 . 绳牵引并联机器人的静刚度解析［J］. 机械工程学报， 2011 ， 47 （ 13 ）： 35 - 43 .

LIU X ， QIU Y Y ， SHENG Y . Analysis on the static stiffness of wire-driven parallel manipulators ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2011 ， 47 （ 13 ）： 35 - 43 . （in Chinese）

YEO S H ， YANG G ， LIM W B . Design and analysis of cable-driven manipulators with variable stiffness ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2013 ， 69 ： 230 - 244 .

JAMSHIDIFAR H ， KHAJEPOUR A ， FIDAN B ， et al . Kinematically-constrained redundant cable-driven parallel robots： modeling， redundancy analysis， and stiffness optimization ［J］. ASME Transactions on Mechatronics ， 2017 ， 22 （ 2 ）： 921 - 930 .

NELSON C A . On Improving Stiffness of Cable Robots ［M］. Mechanisms and Machine Science . Cham ： Springer International Publishing ， 2017 ： 331 - 339 .

PICARD E ， CARO S ， PLESTAN F ， et al . Stiffness Oriented Tension Distribution Algorithm for Cable-driven Parallel Robots ［M］. Advances in Robot Kinematics 2020. Cham ： Springer International Publishing ， 2020 ： 209 - 217 .

闫海江，靳永强，魏祥泉，等 . 国际空间站在轨服务技术验证发展分析［J］. 中国科学：技术科学， 2018 ， 48 （ 2 ）： 185 - 199 .

YAN H J ， JIN Y Q ， WEI X Q ， et al . Analysis of on-orbit servicing technique demonstrations on international space station and developments ［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2018 ， 48 （ 2 ）： 185 - 199 . （in Chinese）

VERHOEVEN R ， HILLER M . Estimating the Controllable Workspace of Tendon-based Stewart Platforms ［M］. Advances in Robot Kinematics. Dordrecht ： Springer Netherlands ， 2000 ： 277 - 284 .

张立勋，宋达，李来禄，等 . 柔索驱动并联机构工作空间算法与布局优化［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2018 ， 39 （ 12 ）： 2017 - 2024 .

ZHANG L X ， SONG D ， LI L L ， et al . Workspace algorithm and layout optimization of parallel mechanisms driven by flexible cables ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2018 ， 39 （ 12 ）： 2017 - 2024 . （in Chinese）

MIKELSONS L ， BRUCKMANN T ， HILLER M ， et al . A real-time capable force calculation algorithm for redundant tendon-based parallel manipulators ［C］. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. May 19 - 23 ， 2008 . Pasadena， CA， USA. IEEE ， 2008 ： 3869 - 3874 .

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