绳牵引并联机构若干关键理论问题及其在风洞支撑系统中的应用研究

发布时间：2020-07-11 03:33

【摘要】：课题“绳牵引并联机构若干关键理论问题及其在风洞支撑系统中的应用研究”是在总结绳牵引并联机构研究概况的基础上,在不考虑现有技术限制的条件下,对从该类型机构自身概念所引出的一些全新理论问题进行研究,并剖析风洞绳牵引并联支撑系统的关键技术及研究其设计方法,其目的在于在绳牵引并联机构的结构、工作空间、优化拉力分布、静刚度和运动学等方面做一些开拓性和奠基性的基础理论研究工作,介绍风洞绳牵引并联支撑系统的设计与控制等新技术。首先,建立并分析作为具有完整约束的绳牵引串/并联机构系统的约束方程,并用其偏微分形式分析了机构在驱动器空间、约束空间、末端执行器空间的运动关系。基于此,将末端执行器的自由度数定义为从绳牵引并联机构基于动态静力分析的力学平衡方程推导出的结构矩阵J~T的所有列矢量正张成的空间R~n的维数n,阐明机构在所有位姿处可能存在的末端执行器自由度的组合。另一方面,本文从绳牵引并联机构与多指手抓取之间潜在的连接关系出发,研究绳牵引并联机构与等价的无摩擦点接触抓取模型在结构上的相关性与力传递的相似性,并利用这种相似性探讨力封闭抓取规划与绳牵引并联机构的末端执行器的自由度数的关系。接着,用动平台在某一位姿处是否可控来界定可控工作空间的含义,根据动平台力螺旋的性质将可控工作空间分成力封闭工作空间、考虑重力的静力学平衡工作空间和动力学平衡工作空间3类,并系统研究每一类型的分析方法,从而得到确定力封闭工作空间及其边界的一些重要结论及定理。另外,研究CRPMs基于力传递性能系数的可控工作空间的分析方法。从绳牵引并联机构奇异类型为过运动性这一事实出发研究发现,奇异性是由于动平台的力螺旋失效(即动平台的力螺旋集合的维数降秩)造成的,
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH112
【图文】：

操作机

会产生一定的弯曲，在自动或精细操作中会引起大幅度振动，如图1.1所示。当然这些问题可控制在一定程度之内5]l，但需要消耗更多能量和运用更高的控制技术。相比较而言，图1.2所示的绳牵引串联机器人由于驱动器是固定的，其机械效率比杆支撑串联机器人高很多，功率/重量比也很高。但在三维运动中，绳与滑轮的直丛丝敛(pointdejoint)连接方式却很难实现。这种机构在实际应用中仅限于平面系统的操作，比如起重操作。在几百万年前人类就采用类似图1.3所示的起重机(载荷由单根绳牵引)。因为承受载荷的滑轮自身必须至少沿1或2个方向进行平动，所以绳牵引串联起重机经常与一个2自由度的串联子机构串在一起使用11’]。由于末端执行器是运立兰久兰重(kinematieallyunder一eonstrained)的，建立控制系统的数学模型时需要预测串联子系统显互(swya)模型以便进行系统的稳定性分析，控制时需采用复杂的传感技术，因此起重机要实现?

并联机构,平台

图1.1:大型杆支撑串联操作机3图1.2:绳牵引串联机构礴图1，3:起重机，在串联机器人发展方兴未艾时，Hunt于1978年提出，可以应用6自由度的stewart平台机构(如图1.4所示)作为机器人机构[2]。从20世纪80年代末起，特别是20世纪90年代以来，并联机器人被广为注意，并成为近20年来机构学领域新的研究热点。典型的并联机构(setwart平台机构)是由6根支杆将上下两平台联接而成的，每根支杆都可以独立地自由伸缩，并通过球铰和虎克铰与上下平台连接，这样上平台或下平台就可进行6个自由度的独立运动。因为并联机构的每个驱动关节只需承受部分的载荷，所以它能承受高的载荷且机械效率很高。又因为末端执行器的运动比驱动关节慢，所以需采用合适的驱动技术才能实现高速运动，[26]。因为并联机构的运动学位置正解问题可达40个，而且一般无封闭解，无法进行实时计算

绳牵引,并联机构

工业中得到应用，但初始的乐观被打击了。图1.4:setwart平台并联机构6绳牵引并联机构(如图1.5(a)、(b)所示)是本文的研究对象。这种机构的边王宣(movnigPlatofrm)用若干根绳向外牵引，每根绳的一端与动平台以点状铰链的形式连接，另一端以点状铰链的形式与固定在机架上的滑轮(有的地方称“绞盘”，下同)相连7。Dgaalkasi于1989年首次提出如图1.5()a所示的这种构型的绳牵引并联机构181。绳牵引并联机构继承杆支撑串、并联机构和绳牵引串联机构的一些优点:绳牵引并联机构的驱动器是固定的，它的机械效率很高:有效载荷可以分布在多个驱动器之间，适合于提升非常重的载荷(如起重机)，且能达到非常高的加速度和速度(AFLCON一7机器人的末端执行器的速度可达13m/s，加速度可达4398[9]);机构的尺寸可以是非常大的(如skyeamTM可达100米)l’0]

【引证文献】