绳牵引并联机器人的力学分析与性能优化

发布时间：2018-02-11 08:41

本文关键词： 绳牵引并联机器人工作空间绳索张力优化分布动力学建模结构优化设计　出处：《西安电子科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：绳牵引并联机器人是并联机器人家族中重要的组成部分,具有负重/质量比高、工作空间大、响应速度快和环境适应性强的特点,极大地拓展了并联机器人的应用领域。具有广泛的应用前景和重要的开发价值。工作空间是绳牵引并联机器人研究的基础环节,其余研究都以工作空间为前提。工作空间的决定因素有二:“力”因素,保证机构在平衡外力的同时保证绳索张力为正,是主要因素;“几何”因素,保证机构各部件不发生相互干涉,是次要因素。“力”因素的本质是绳的单向受力性,这又带来了绳牵引并联机器人的驱动冗余性,导致了张力求解的不确定性,需通过张力优化分布得到唯一解。在通过绳牵引并联机器人的张力优化分布进行实时力控制时不仅要求张力可以实时解算,还要求张力力可以连续变化。然而以往对绳牵引并联机器人进行张力优化分布时往往忽略了绳索的质量和惯性力,这使其不适合于大跨度高速运动的绳牵引并联机构,需要在动力学建模过程中予以克服。结合大跨度、冗余驱动和高速运动等特点的绳牵引并联机器人具有很大的运动范围和机动能力,是绳牵引并联机器人的一个新兴发展方向,绳牵引并联摄像机机器人(以下简称摄像机器人)是这种机构的典型代表。但摄像机器人的高速运动会对其性能造成很大影响,且在实际运行中易于受到气象条件的干扰,需要一种符合其实际特点的优化设计方法来提升其整体性能。本文的研究内容主要针对四个关键点:①综合“力”和“几何”因素来分析工作空间;②从“定量”的角度评价绳索张力求解的实时性和稳定性;③建立起完整的绳牵引并联机器人动力学模型;④提出符合摄像机器人特点的多目标优化设计方法。本文的研究围绕国家自然科学基金项目:“高速柔索牵引摄像机机器人机动性与稳定性研究(51175397)”的相关内容,旨在为绳牵引并联机器人的性能提升和实际工程应用提供研究基础,打破桎梏摄像机器人技术发展的理论瓶颈,也将促使我国早日拥有具有自主知识产权的摄像机器人,使我国的摄像机搭载技术产生新的飞跃。完成的主要工作和创新型成果归纳为以下四个部分:第一部分研究基于力旋量可行动力工作空间的干涉区域判定和求解。明确定义了干涉的三种分类,分析了每种干涉的形成成因,推导了三种干涉的数学判定条件。与力旋量可行动力工作空间的求解方法相结合提出了完备的干涉求解方法,揭示了干涉发生的本质规律,为机构避免干涉的发生奠定了理论基础。第二部分研究绳索张力解算的实时性和连续性问题。明晰了绳索张力解算的连续性和实时性的定义,提出了衡量连续性和实时性的评价指标。结合凸优化理论、方程求根公式和多项式极值定理建立了适用于完全约束绳牵引并联机器人的绳索张力优化分布算法。通过算例研究了不同张力优化目标的连续性和实时性的差异和特点,为绳索张力优化目标选取提供了有益的参考。第三部分研究考虑绳索质量和惯性力的绳索张力优化分布。在将绳索上的质点运动分解为绳索所在铅垂平面内的轴向收放运动和正交于铅垂面的离面运动的基础上,通过有限元的思想建立了绳索质点的动力学方程,再通过积分的“组装”运算得到了整根绳索的动力学方程。采用牛顿-欧拉法推导了包含绳索动力学影响的绳牵引并联机器人的动力学方程,建立了适用于完全和冗余约束绳牵引并联机器人的张力优化模型,提出了一种以直线状态下的索长和张力为迭代初始值,以索的垂度不发生改变为终止条件的迭代算法实现了对张力的优化求解,为绳牵引并联机器人的力控制奠定了理论基础。第四部分研究摄像机器人的多目标结构优化问题,通过结构优化来提升摄像机器人的整体性能。在分析摄像机器人实际工作特点的基础上,结合理想点法和罚函数法建立了综合衡量绳牵引并联摄像机器人跟踪拍摄能力、抗风扰能力和绳索张力冲击作用的多目标优化模型。针对标准遗传算法全局优化搜索能力不强的缺点,提出了具有更强的全局优化搜索能力的改进型遗传算法——“基于种群信息熵的自适应多岛遗传算法”(Adaptive Multi-island Genetic Algorithm based on Information Entropy of the Population,IEPAMGA)。该改进型算法具有适应度标定、子种群划分和根据种群信息熵自适应改变交叉率和变异率三个改进措施。采用IEPAMGA对摄像机器人的多目标优化问题进行求解,得到了在满足绳索张力上下限、最小拍摄任务空间体积和能量截断频率的前提下,具有更大的力旋量可行动力工作空间体积、更高的全局一阶自然频率和更小的绳索张力冲量和的设计参数。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP242

【参考文献】