29、机器人设计与优化：从DELTA到康复机器人的探索

机器人设计与优化：从DELTA到康复机器人的探索

1. DELTA机器人正运动学的串行求解方法

在机器人运动学的研究中，DELTA机器人的正运动学（FKM）求解是一个关键问题。传统方法在计算效率和精度上可能存在一定的局限性，而串行方法为解决这一问题提供了新的思路。

1.1 串行方法优势

串行方法通过将传感器放置在一条腿的关节上，而非基座关节，简化了DELTA机器人FKM的计算过程。这种方法不仅降低了计算的复杂度，还提高了计算的准确性。

1.2 计算时间对比

方法	计算时间
串行方法	5 µs
经典方法	5 ms

从表格中可以明显看出，串行方法在计算时间上具有显著优势，能够实现更高效的计算。

1.3 误差分析

通过模拟实验，对串行方法的误差分布进行了研究。误差分布的直方图和累积分布函数可以直观地展示误差的情况。

graph LR
    A[串行方法计算] --> B[误差分布统计]
    B --> C[绘制直方图]
    B --> D[绘制累积分布函数]

2. LAWEX机器人的优化设计

LAWEX是一款用于上肢康复训练的电缆驱动并联机器人。随着康复需求的增加和安全标准的提高，对LAWEX机器人进行优化设计具有重要意义。

2.1 康复需求与挑战

康复设备的尺寸综合设计是研究的重要任务，需要在几何、运动学和动力学等不同性能之间找到平衡。LAWEX机器人的优化目标包括紧凑性、安全性和能耗。

2.2 LAWEX机器人介绍

LAWEX是一个3自由度的电缆驱动并联机器人，通过3个电机控制3根柔性电缆的长度，实现末端执行器的平移运动。其逆运动学模型（IKM）可以通过电缆长度来确定末端执行器的位置。

graph LR
    A[电机控制电缆长度] --> B[确定末端执行器位置]
    B --> C[逆运动学模型计算]

2.3 多目标优化问题

为了实现LAWEX机器人的优化，提出了一个包含3个不同目标函数的优化问题，并使用多目标遗传算法进行求解。

2.3.1 紧凑性目标函数

紧凑性目标函数旨在最小化机器人占用的体积，使机器人的工作空间尽可能接近所需的空间。

2.3.2 患者安全目标函数

安全是康复设备设计的关键因素。通过最大化电缆与患者之间的距离，提高患者在康复过程中的安全性。

2.3.3 电缆张力最小化目标函数

电缆张力既是问题的约束条件，也是优化的目标。最小化电缆张力可以优化执行器的功耗。

2.4 问题约束

为了确保康复训练的顺利进行，需要满足两个必要条件：
- 机器人的末端执行器能够访问物理治疗所需的轨迹。
- 电缆张力在所需轨迹的每个点上都为正。

2.5 优化结果

通过多目标遗传算法求解优化问题，得到了一组非支配解，即Pareto前沿。从Pareto前沿中选择了3个特定的解进行分析。

解	d1 (mm)	d2 (mm)	d (mm)	h (mm)	r (mm)	zE (mm)	Fcomp	Fsafety	Ftension
S1	827	827	88	432	410	50	1.8854	0.4197	1.8125
S2	937	937	59	783	407	44	2.0506	0.0865	1.6735
S3	988	767	109	1414	424	42	2.3968	0.5688	1.4237

考虑到患者安全的重要性，选择了S2解进行进一步的开发和实施。

3. 可重构6自由度电缆驱动并联机器人

电缆驱动并联机器人（CDPRs）虽然具有较大的平移工作空间，但旋转自由度有限。为了解决这一问题，提出了一种可重构的CDPR设计。

3.1 旋转自由度问题

CDPRs的旋转自由度受限主要是由于电缆的单向特性和潜在的碰撞问题。传统方法通常需要较大的结构来解决这一问题，这在某些应用中并不理想。

3.2 可重构设计

可重构的CDPR设计允许机器人在保持紧凑结构的同时，覆盖较大的旋转工作空间。通过对比有和没有重构功能的机器人设计结果，评估了所提出算法的可靠性。

3.3 设计流程

graph LR
    A[提出可重构设计方案] --> B[设计有重构功能的机器人]
    A --> C[设计无重构功能的机器人]
    B --> D[评估旋转工作空间]
    C --> D
    D --> E[对比结果]

综上所述，通过对DELTA机器人、LAWEX机器人和可重构CDPR的研究，展示了不同类型机器人的设计和优化方法。这些方法在提高机器人性能、满足康复需求等方面具有重要的应用价值。未来的研究可以进一步探索这些方法的实际应用和改进。

机器人设计与优化：从DELTA到康复机器人的探索

4. 不同机器人设计与优化方法总结

4.1 各机器人设计重点对比

机器人类型	设计重点	解决的关键问题
DELTA机器人	采用串行方法求解正运动学	提高计算效率和精度，简化计算过程
LAWEX机器人	多目标优化设计	平衡机器人紧凑性、患者安全性和电缆张力
可重构6自由度CDPR	可重构设计以扩大旋转工作空间	解决电缆驱动并联机器人旋转自由度受限问题

4.2 设计方法的通用性与局限性

• 通用性 ：多目标优化方法在LAWEX机器人和可重构CDPR的设计中都有一定的通用性，可用于平衡多个相互矛盾的设计目标。
• 局限性 ：串行方法在DELTA机器人中的应用可能不适用于其他类型的机器人；可重构CDPR的设计可能会增加机器人的复杂性和成本。

5. 机器人设计优化的实际应用与展望

5.1 康复领域的应用

在康复领域，LAWEX机器人和可重构CDPR的优化设计可以更好地满足患者的康复需求。例如，LAWEX机器人的优化设计可以提高患者康复训练的安全性和舒适性；可重构CDPR的大旋转工作空间可以为患者提供更丰富的康复动作。

5.2 未来发展方向

• 智能化 ：引入人工智能和机器学习技术，使机器人能够根据患者的康复情况自动调整训练方案。
• 小型化 ：进一步优化机器人的结构，使其更加紧凑，便于在不同的康复环境中使用。
• 集成化 ：将多种康复功能集成到一个机器人中，提高康复设备的综合性能。

5.3 发展流程展望

graph LR
    A[现有机器人设计优化成果] --> B[引入智能化技术]
    A --> C[实现小型化设计]
    A --> D[推进集成化发展]
    B --> E[智能康复机器人]
    C --> E
    D --> E
    E --> F[满足更多康复需求]

6. 结论

通过对DELTA机器人正运动学的串行求解方法、LAWEX机器人的多目标优化设计以及可重构6自由度电缆驱动并联机器人的研究，我们可以看到不同类型机器人在设计和优化方面的多样性和重要性。这些研究不仅为机器人的性能提升提供了有效的方法，也为康复等领域的应用提供了有力的支持。

未来，随着技术的不断发展，机器人的设计和优化将朝着更加智能化、小型化和集成化的方向发展，为人类的生活和健康带来更多的便利和福祉。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，选择合适的机器人设计和优化方法，以实现最佳的效果。

总之，机器人的设计与优化是一个不断发展和创新的领域，值得我们持续关注和深入研究。