欠约束绳驱动六自由度并联机构系统辨识与控制方法研究
发布时间：2021-11-18 16:22
起重机是海洋运输作业的重要设备,主要用于海上舰船之间的货物吊装、鱼类导弹的装填,然而舰船在风浪干扰下会发生六自由度的摇荡运动,对起重机的安全作业带来重大影响。绳索并联机构具有负载质量比高和多自由度运动能力的优点。基于上述背景,结合绳索并联机构的优点,本文对并联绳索吊装系统展开研究,目的是补偿吊装过程中的摇荡运动,提升海上吊装的安全性。论文首先描述了绳索吊装系统的结构特征,在上平台运动情况下,采用矢量封闭法建立了非惯性系和惯性系下的运动学模型,在非惯性系模型的基础上推导了电机转速与平台运动之间的关系;在修正经典的库伦粘滞摩擦模型的基础上,建立了电机驱动系统的动力学模型;采用牛顿欧拉法建立了惯性系下绳索吊装系统的单刚体动力学模型,并采用Simulink/Adams联合仿真的方式验证了数学模型的正确性。针对系统惯性参数未知的问题,建立了电机驱动系统和动平台待辨识参数的线性化模型,并推导了线性化模型的最小二乘解;针对参数辨识过程中数据获取的问题,采用傅里叶级数为系统的激励信号,并提出了运动轨迹应保证绳索张力为正、处于工作空间内部等要求。在负载惯性参数已知的情况下,结合控制目标,重新推导了系统的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海上钻井平台货物吊装
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1第1章绪论1.1课题的来源本课题来源于哈尔滨工业大学机电工程学院电液伺服仿真与试验系统研究所与航天五院的预研横向课题，该课题主要目的是设计一种悬挂式绳索驱动的六自由度海上吊装平台，该吊装平台用于海上舰船之间的物品转运及鱼雷导弹装填装载，最终应能在4级海况的环境下，安全完成装载及吊装任务。1.2课题研究的背景和意义新世纪以来，海洋充分显示出其在资源环境和空间上的优势，直接影响着各国经济和世界的可持续发展，并且即将成为影响国家战略安全的一个重要因素[1]。海洋作为连接各个国家一个重要枢纽，不仅为世界提供了大量的生物资源和矿产资源，还成为世界各国贸易往来的一个重要通道，对海洋资源的占有和利用逐渐成为衡量一个国家实力的重要指标。我国作为海洋大国，拥有辽阔的海域和富饶的海藏资源，海洋运输业繁忙，据统计，我国外贸货物运输总量的90%通过港口海运完成[2]。在海洋运输作业当中，起重机与吊装机是海洋运输和轮船补给的重要设备，主要用于海上吊装作业。海上吊装作业主要包括地面或者海上平台向船舶吊装货物、海上船舶与船舶之间的货物吊装转运，例如地面向船舶装载货物、海上钻井平台货物吊装（图1-1）、海上船舶之间的货物（图1-2）吊装与补给等。图1-1海上钻井平台货物吊装图1-2海上船舶货物吊装在吊装作业中，船舶受到波浪的扰动力后，会发生六个自由度的摇荡运动，分别为平动自由度的横荡、纵荡、升沉和转动自由度的横尧纵尧艏摇（如
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2图1-3所示）[3]，从而对吊装作业的安全性和精确性产生极大的影响。例如，在海上风电设备安装时（如图1-4），虽然安装基座处于固定不动的状态，但是扇叶在从船舶向基座进行吊装时，由于波浪导致船体的摇荡运动，使得扇叶与船舶基座之间产生相对的运动，干扰正常的安装，如果不消除这些运动，安装过程中将存在巨大的安全隐患。图1-3海浪引起的六自由度运动图1-4海上风机吊装为了安全、有效、精确的进行海上吊装作业，必须采取一定的措施消除吊装平台与目标基体之间的六自由度摇荡运动。现有的绝大多数吊装系统都只具有单一自由度方向升沉运动补偿或抑制摆动等功能，对于外部的干扰，例如风等，具有较弱的抵抗能力，没有办法消除吊装平台与目标基体之间的六自由度相对运动,在精度、效率和安全性上都无法满足海上补给日益增长的需求。因此研究一种能补偿船舶与目标基体之间六自由度运动的吊装系统对海上吊装作业是有重大实用价值的。针对上述的问题，将绳牵引并联机构引入吊装系统，利用绳索并联机构本身的六自由度运动能力和抗摆能力解决上述问题。如图1-5所示，并联机构由基座、末端执行器和连接两者并行运动链组成。相比于串联机器人，由于采用了多条并行运动链相连接的形式，有效的解决了串联机器人关节误差累计的问题，具有高精度的优点；此外还具有有大刚度、强承载能力、高动态响应的优点[4],同时也有工作空间较孝灵活性差、运动耦合等缺点。经过多年的发展，并联机构以在航空的飞行模拟、并联机床、坦克驾驶模拟和外科手术等多个领域得到应用。如图1-6所示，本文所研究的绳索并联机构属于并联机构的一个分支，绳索并联机构使用柔性绳索代替了传统的刚性连杆，由于绳索的运动长度一般没有限制，并且绳索?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应模糊的绳索姿态调节系统设计（英文）[J]. 王威舒,孟立凡,张志东. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2019(02)
[2]基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制[J]. 游虹,尚伟伟,张彬,张飞,丛爽. 机械工程学报. 2019(05)
[3]2-DOF绳索驱动并联机构轨迹跟踪控制[J]. 姜雷杰,高丙团,刘传德,朱振宇. 控制与决策. 2019(05)
[4]并联波浪补偿系统的鲁棒控制方法[J]. 胡永攀,陶利民,吕伟,贾俊. 国防科技大学学报. 2014(06)
[5]发展海洋经济和海洋运输的思考[J]. 李欠标. 综合运输. 2011(11)
博士论文
[1]六自由度并联波浪补偿系统设计与控制关键技术研究[D]. 胡永攀.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]绳索驱动六自由度运动系统尺度综合与控制研究[D]. 刘超.哈尔滨工业大学 2019
[2]绳索牵引并联机器人的绳长空间动力学控制策略研究[D]. 张兵园.中国科学技术大学 2018
[3]三自由度绳牵引并联机器人的主动柔顺控制[D]. 龚定伟.西南科技大学 2017
[4]六索并联机器人控制算法研究[D]. 李轲冉.吉林大学 2016
[5]绳索弹簧并联机构工作空间及运动控制分析[D]. 李清桓.西安电子科技大学 2015
[6]海洋主动性选择在中国强国战略中的地位[D]. 柳宇.辽宁大学 2013
本文编号：3503217
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海上钻井平台货物吊装
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1第1章绪论1.1课题的来源本课题来源于哈尔滨工业大学机电工程学院电液伺服仿真与试验系统研究所与航天五院的预研横向课题，该课题主要目的是设计一种悬挂式绳索驱动的六自由度海上吊装平台，该吊装平台用于海上舰船之间的物品转运及鱼雷导弹装填装载，最终应能在4级海况的环境下，安全完成装载及吊装任务。1.2课题研究的背景和意义新世纪以来，海洋充分显示出其在资源环境和空间上的优势，直接影响着各国经济和世界的可持续发展，并且即将成为影响国家战略安全的一个重要因素[1]。海洋作为连接各个国家一个重要枢纽，不仅为世界提供了大量的生物资源和矿产资源，还成为世界各国贸易往来的一个重要通道，对海洋资源的占有和利用逐渐成为衡量一个国家实力的重要指标。我国作为海洋大国，拥有辽阔的海域和富饶的海藏资源，海洋运输业繁忙，据统计，我国外贸货物运输总量的90%通过港口海运完成[2]。在海洋运输作业当中，起重机与吊装机是海洋运输和轮船补给的重要设备，主要用于海上吊装作业。海上吊装作业主要包括地面或者海上平台向船舶吊装货物、海上船舶与船舶之间的货物吊装转运，例如地面向船舶装载货物、海上钻井平台货物吊装（图1-1）、海上船舶之间的货物（图1-2）吊装与补给等。图1-1海上钻井平台货物吊装图1-2海上船舶货物吊装在吊装作业中，船舶受到波浪的扰动力后，会发生六个自由度的摇荡运动，分别为平动自由度的横荡、纵荡、升沉和转动自由度的横尧纵尧艏摇（如
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2图1-3所示）[3]，从而对吊装作业的安全性和精确性产生极大的影响。例如，在海上风电设备安装时（如图1-4），虽然安装基座处于固定不动的状态，但是扇叶在从船舶向基座进行吊装时，由于波浪导致船体的摇荡运动，使得扇叶与船舶基座之间产生相对的运动，干扰正常的安装，如果不消除这些运动，安装过程中将存在巨大的安全隐患。图1-3海浪引起的六自由度运动图1-4海上风机吊装为了安全、有效、精确的进行海上吊装作业，必须采取一定的措施消除吊装平台与目标基体之间的六自由度摇荡运动。现有的绝大多数吊装系统都只具有单一自由度方向升沉运动补偿或抑制摆动等功能，对于外部的干扰，例如风等，具有较弱的抵抗能力，没有办法消除吊装平台与目标基体之间的六自由度相对运动,在精度、效率和安全性上都无法满足海上补给日益增长的需求。因此研究一种能补偿船舶与目标基体之间六自由度运动的吊装系统对海上吊装作业是有重大实用价值的。针对上述的问题，将绳牵引并联机构引入吊装系统，利用绳索并联机构本身的六自由度运动能力和抗摆能力解决上述问题。如图1-5所示，并联机构由基座、末端执行器和连接两者并行运动链组成。相比于串联机器人，由于采用了多条并行运动链相连接的形式，有效的解决了串联机器人关节误差累计的问题，具有高精度的优点；此外还具有有大刚度、强承载能力、高动态响应的优点[4],同时也有工作空间较孝灵活性差、运动耦合等缺点。经过多年的发展，并联机构以在航空的飞行模拟、并联机床、坦克驾驶模拟和外科手术等多个领域得到应用。如图1-6所示，本文所研究的绳索并联机构属于并联机构的一个分支，绳索并联机构使用柔性绳索代替了传统的刚性连杆，由于绳索的运动长度一般没有限制，并且绳索?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应模糊的绳索姿态调节系统设计（英文）[J]. 王威舒,孟立凡,张志东. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2019(02)
[2]基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制[J]. 游虹,尚伟伟,张彬,张飞,丛爽. 机械工程学报. 2019(05)
[3]2-DOF绳索驱动并联机构轨迹跟踪控制[J]. 姜雷杰,高丙团,刘传德,朱振宇. 控制与决策. 2019(05)
[4]并联波浪补偿系统的鲁棒控制方法[J]. 胡永攀,陶利民,吕伟,贾俊. 国防科技大学学报. 2014(06)
[5]发展海洋经济和海洋运输的思考[J]. 李欠标. 综合运输. 2011(11)
博士论文
[1]六自由度并联波浪补偿系统设计与控制关键技术研究[D]. 胡永攀.国防科学技术大学 2015
硕士论文
[1]绳索驱动六自由度运动系统尺度综合与控制研究[D]. 刘超.哈尔滨工业大学 2019
[2]绳索牵引并联机器人的绳长空间动力学控制策略研究[D]. 张兵园.中国科学技术大学 2018
[3]三自由度绳牵引并联机器人的主动柔顺控制[D]. 龚定伟.西南科技大学 2017
[4]六索并联机器人控制算法研究[D]. 李轲冉.吉林大学 2016
[5]绳索弹簧并联机构工作空间及运动控制分析[D]. 李清桓.西安电子科技大学 2015
[6]海洋主动性选择在中国强国战略中的地位[D]. 柳宇.辽宁大学 2013
本文编号：3503217
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