八索立式储罐并联机器人设计及性能优化

发布时间：2019-08-01 14:18

【摘要】：针对石油化工行业中广泛应用的大型立式储罐检修任务,传统的脚手架、导轨及爬壁机器人等工作平台存在拆装困难、结构复杂或运行速度较低等缺点,有效载荷能力和工作效率受限制。索并联机构具有工作空间大、承载能力强、模块化等优点,在大型立式储罐的检修领域极具应用潜力。提出一种采用四根支撑杆的八索驱动并联机器人工作平台及出索点位置可调的模块化支撑杆设计;建立了索并联机构的运动学模型和平面简化模型,分析机构参数对其工作空间的影响,并针对20 m口径典型立式储罐给出了优化结构参数;结合索牵引并联机器人的工作平台沿不同轨迹运动时索长、索力变化分析,确定了运动规划时优选运动轨迹。
【图文】：

大型立式储罐开展索牵引并联机器人构型设计，通过运动学分析和平面简化模型分析各机构参数对机构工作空间的影响以优化相关参数，然后检验其工作空间与实际需求的符合情况，结合工作平台沿不同的轨迹运动对索长、索力变化的分析，讨论了动平台运动规划时的优选轨迹，最后是本文的工作总结及下一步工作展望。1运动学建模与静力学分析1.1运动学建模索并联机构的设计理论指出，其动平台运动范围（工作空间）位于出索点组成的凸包内，考虑模块化设计和抵达储罐外部各个位置的要求，本文提出的索牵引并联机器人构型如图1所示。索牵引并联机器人的动平台由8根索驱动进行6自由度运动，8根索采用“上4下4”布局，两两一组安装在4根支撑杆上，索的一端连接在由电动机驱动的滚筒上，另一端穿过支撑杆上的导向轮连接在动平台各个顶点，支撑杆的具体结构如图2所示。每根支撑杆上安装有两套伺服电动机驱动的滚筒收放绳索，出索点位置由安装托架带动导向轮沿支撑杆轴向调整，上方两个支撑杆通过固定装置连接在立式储罐的上边沿，下方两个支撑杆安装在地面。图1立式储罐检修用八索牵引并联机器人示意图索并联机器人的运动学模型如图3所示，上层两个支撑杆和下层两个支撑杆之间的夹角均为θ0，外层4个出索点B2、B3、B6、B7所在分布圆的半径为R2，内层4个出索点B1、B4、B5、B8所在分布圆的半径为R1，立式储罐的半径为r0，高度为H0，上下层支撑杆之间的高度为H1。本文针对20m直径的立式储罐开展分析，，相关技术参数规定[2]，其有效高度为20m，其他尺寸储罐的技术参数也可采用该方法获龋在图3所示的运动学模型中，固定坐标系κB-Oxyz位于立式储罐的底部圆心，运动坐标系?

月2016年5月王伟方等：八索立式储罐并联机器人设计及性能优化3图2索牵引并联机器人支撑杆结构图示图3八索牵引并联机器人运动学模型标系中的位置矢量，ip为动平台上各绳索连接点在运动坐标系中的位置矢量，BPR为运动坐标系到固定坐标系的旋转矩阵，动平台姿态角为(,,)，il为索矢量iiPB(1i8)，if表示各绳索的拉力。根据运动学关系式，索矢量il为BiiiiPilPBbpRp(1)BPcccssRssccssssccsccscsscsssccc式中，c表示cos，s表示sin，单位索矢量为BiPiiBiPibpRpubpRp(2)1.2静力学方程通过受力分析得到静力学平衡关系式810iimgpff(3)810iiippfτ(4)将式(3）、(4)合并为180××fmgf181188ppuufpupuτ(5)即TATw0(6)式中，T18ffT，TmgPPwfτ索并联机器人具备一种特性，即索只承受沿索方向的拉力。为保证绳索处于张紧状态，索上最小拉力应不小于预紧力fmin，最大拉力不超过安全上限拉力fmax，即索并联机器人工作空间的约束条件是maxmin0ifff(7)2结构参数优化索牵引并联机器人用于大型立式储罐检修时，动平台在储罐的外侧运动，其工作空间设计时须避免运动过程中索和罐体干涉。图4给出了索并联机器人的平面投影视图，支撑杆的长度为l0，内侧出索点与罐壁的距离为l10，外侧出索点与内侧出索点之间的距离为l20，动平台沿圆柱形表面运动轨迹在平面上的投影半径为r1，有1010201020RrlRrll(8)
【作者单位】： 清华大学机械工程系;清华大学摩擦学国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51475252,51575292)
【分类号】：TP242

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈学生,陈在礼,孔民秀;并联机器人研究的进展与现状[J];机器人;2002年05期

2 杜志江,于凌涛,孙立宁;并联机器人力感觉系统的研究[J];传感器技术;2003年04期

3 李树军,朱天旭;双并联机器人协作的运动学建模[J];东北大学学报;2003年12期

4 鲁开讲;6-6式台体型并联机器人位置正解的三维搜索法[J];中国制造业信息化;2003年05期

5 李宏,赵铁石,黄真;一种3-P(4U)并联机器人的运动学分析[J];燕山大学学报;2003年02期

6 余晓流,岑豫皖,潘紫微,吴玉国;并联机器人的理论及应用研究[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2003年04期

7 孔令富,张世辉,杨广林;并联机器人汉字球腔内面雕刻刀路规划算法研究[J];机械设计与研究;2004年01期

8 张世辉,孔令富;并联机器人汉字球面雕刻刀路规划研究[J];计算机仿真;2004年03期

9 李立新,潘春萍,卢颖,王勇亮;六轴并联机器人控制软件的设计与实现[J];长春理工大学学报;2004年01期

10 刘阳,冯宝富,蔡光起;并联机器人的研究现状与展望[J];机床与液压;2004年03期

相关会议论文 前10条

1 贺利乐;段志善;;并联机器人的动态性能及控制方法的研究现状与展望[A];振动利用技术的若干研究与进展——第二届全国“振动利用工程”学术会议论文集[C];2003年

2 高峰;;并联机器人应用及其机构的创新[A];第十二届全国机构学学术研讨会论文集[C];2000年

3 孙立宁;刘彦武;曲东升;李长峰;;靶定位并联机器人控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

4 陈文家;陈书宏;赵明扬;;一种用于加工的新型4自由度并联机器人[A];2001年中国智能自动化会议论文集（上册）[C];2001年

5 王志峰;吴强;王占林;付永领;;离散微分跟踪器应用于并联机器人单通道控制[A];中国航空学会液压气动专业2005年学术讨论会论文集[C];2005年

6 王志峰;吴强;王占林;付永领;;离散微分跟踪器应用于并联机器人单通道控制[A];中国航空学会控制与应用第十二届学术年会论文集[C];2006年

7 杨廷力;金琼;刘安心;沈惠平;姚芳华;;基于单开链单元的两平移两转动输出并联机器人机型设计[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年

8 张旭;裴忠才;;液压6自由度并联机器人的控制系统研究[A];第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集[C];2008年

9 郭希娟;黄真;;并联机器人加速度的各向同性[A];第十二届全国机构学学术研讨会论文集[C];2000年

10 张建明;王宁;王树青;;使用模糊转换器的神经元非模型控制及在液压并联机器人中的应用[A];1998年中国控制会议论文集[C];1998年

相关重要报纸文章 前2条

1 记者 周芹 张亦筑;我市研发出国内首台3D打印并联机器人[N];重庆日报;2013年

2 记者 王阳;“并联机器人”研发形成体系[N];上海科技报;2014年

相关博士学位论文 前10条

1 刘善增;三自由度空间柔性并联机器人动力学研究[D];北京工业大学;2009年

2 李艳;二自由度冗余驱动并联机器人的动力学建模及控制研究[D];山东大学;2010年

3 李海虹;一种含柔性杆件的高速并联机器人优化设计方法研究[D];天津大学;2009年

4 刘欣;两种并联机器人的机构性能分析与运动控制研究[D];西安电子科技大学;2009年

5 李艳文;几类空间并联机器人的奇异研究[D];燕山大学;2005年

6 张世辉;并联机器人汉字雕刻技术的研究[D];燕山大学;2005年

7 张耀欣;高性能平面二自由度并联机器人研究[D];中国科学技术大学;2007年

8 刘玮;一种直线电机驱动的六棱锥式并联机器人研究[D];南京理工大学;2012年

9 郭崇滨;并联机器人多目标协同智能控制研究[D];东华大学;2013年

10 尚伟伟;平面二自由度并联机器人的控制策略及其性能研究[D];中国科学技术大学;2008年

本文编号：2521806