面向自动仓储的绳索牵引并联机器人构型选择与参数优化丨JME文章推荐
绳索牵引并联机器人(以下简称绳索机器人)利用柔性绳索替代刚性连杆，牵引动平台在工作空间中运动。相比于刚性连杆驱动，绳索牵引动平台可以到达的距离更远，这使得绳索机器人非常适合在大空间工作。目前，绳索机器人已经广泛应用于多个领域，比如船模绳牵引支撑系统，风洞试验支撑系统，大物体搬运装配，高速摄影以及大型射电望远镜馈源舱支撑系统等。
绳索机器人需要满足特定应用场景下的任务要求，中国科学技术大学的研究者们将研究重点落地于自动仓储领域的绳索牵引并联机器人的优化设计问题。
在传统自动仓储领域，堆垛机对整个物流系统的性能有很大的影响，比如能量损耗、工作效率以及空间利用率等。经过几十年的机械设计和应用优化，传统堆垛机已经能获得可靠的性能。但是，受到机械结构限制，传动堆垛机存在自身质量大、能量损耗高以及工作效率低等缺点。为了解决这些问题，绳索机器人开始应用到自动仓储领域，替代传统堆垛机完成货物的自动取出和存放操作。绳索机器人具有运动惯量小、运行速度快以及负载质量大等优点，能够显著提高物流系统的工作效率，降低能量损耗。然而现有的研究工作并没有对应用于自动仓储中的绳索机器人的构型和动平台参数进行优化。
冗余驱动使绳索机器人的构型和参数优化问题变得更加复杂，难以同时获得最佳构型和动平台参数，这使得优化指标的设计显得极为重要。已有研究都是通过分析特定的任务要求来设计性能指标和优化方法，缺少面向自动仓储应用领域的绳索机器人构型和参数优化的性能指标和优化方法。
中国科学技术大学的张飞、张彬、周烽、尚伟伟和丛爽针对机器人的优化设计问题展开了研究，并在《机械工程学报》2020年1期发表了《面向自动仓储的绳索牵引并联机器人构型选择与参数优化》一文。在该文中，他们给出了动平台在工作过程中承受的需求力矩上界和下界的数学模型，再基于凸优化理论分析得到了需求力矩上界满足力可行的条件。分析结果表明，最大负载重量可以作为衡量自动仓储领域绳索机器人的性能指标。进一步，为了尽可能得到最佳的构型和动平台参数，通过穷举组合获得了所有可能的绳索构型，扩大了构型参数的优化空间。接着，分析了绳索机器人对称构型的绳索连接约束条件，再利用绳索连接约束条件大幅降低了有效的绳索构型数量，进一步提高了优化方法的速度和效率。最后，设计了一套完整的优化方法对满足力可行条件的所有构型的最大负载指标进行优化，得到了最优的构型及其动平台参数。最后通过仿真试验，将优化结果与其他构型及其随机选择的动平台参数在工作空间中进行了对比，仿真结果表明优化结果具有最佳的负载能力。
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张飞, 张彬, 周烽, 尚伟伟, 丛爽. 面向自动仓储的绳索牵引并联机器人构型选择与参数优化[J].机械工程学报, 2020,56(1): 1-8.
ZHANGFei, ZHANG Bin, ZHOU Feng, SHANG Weiwei, CONG Shuang. Configuration Selectionand Parameter Optimization of Redundantly Actuated Cable-driven ParallelRobots[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(1): 1-8.
(1) 针对自动仓储领域的绳索机器人的构型选择和参数优化问题，本文给出了一套完整的优化方法。
(2) 文中分析了绳索机器人的构型对称性，设计了绳索连接的约束条件，有效减少了构型选择范围，提高了构型选择和参数优化效率。
(3) 基于力可行条件的分析，本文提出最大负载性能指标，并使用粒子群算法进行优化，最终得到了最优的构型和动平台参数。
(4) 仿真验证结果表明最优的构型和动平台参数具有最优的性能指标。
面向自动仓储的绳索机器人
张飞，男，1991 年出生，博士研究生。主要研究方向为绳索牵引并联机器人。
尚伟伟(通信作者)，男，1981 年出生，博士，副教授。主要研究方向为并联机器人、绳索机器人、工业机器人、仿人机器人、视觉伺服、机器人学习控制等。
编辑：金程 校对：张彤
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