柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价

发布时间：2017-04-28 00:05

  本文关键词：柔索牵引并联机器人力学分析及稳定性评价，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：柔索牵引并联机器人是并联机器人家族中重要的组成部分,具有结构简单,重量轻,耗能低,控制容易,惯性小和移动速度快,有更高的精度等优点。因此,具有广泛的应用领域和重要的研究价值。但是由于其作为驱动元件的绳索的柔性和单向约束特性,使得柔索牵引并联机器人较传统的杆支撑并联机器人有很多不同的特性。由于绳索的柔性特性,柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性成为对其研究的主要环节,稳定性对柔索牵引并联机器人的总体性能具有重要的影响。本文从传统的刚性支撑的稳定性出发,结合柔索牵引并联机器人独有的特点,引申并总结出影响柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性的主要因素,并进一步提出评价其末端执行器运动的稳定性的评价方法,旨在为打破柔索牵引并联机器人应用中的重要瓶颈一由于绳索的柔性和约束不足导致的运动稳定性问题。从传统刚性支撑的稳定性出发,引申出柔索牵引并联机器人稳定性的主要决定因素有二点：“位置”因素,由于当前位置点在工作空间所处的位置对柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性具有重要的影响,因此柔索牵引并联机器人的稳定性中必须考虑位置因素的影响；“约束力”因素,同时当前位置点处拉力最小绳索的索拉力对柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性也具有重要的影响,因此柔索牵引并联机器人的稳定性中必须考虑约束最小的索拉力的影响。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,主要对此类柔索牵引并联机器人进行了基于两种模型下的运动学分析、最小索拉力在工作空间的分布研究、运动稳定性分析以及稳定工作空间的求解研究,旨在为柔索牵引并联机器人的性能提升和实际工程应用提供理论依据和技术支持。绳牵引并联摄像机机器人作为柔索牵引并联机器人的典型代表,比传统的高空摄像方式有明显的优势。但摄像机器人的高速运动会对其稳定性造成很大影响,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稳定性评价方法来衡量绳牵引并联摄像机机器人运动的稳定性。本文的研究内容主要针对四个关键点：①综合“位置”和“约束力”因素来分析柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性；②基于柔索牵引并联机器人的运动学解,提出了影响末端执行器运动稳定性的位置性能因子,进而研究了位置性能因子在全工作空间内的分布情况；③基于柔索牵引并联机器人的索拉力优化解,提出影响末端执行器运动稳定性的索拉力性能因子,进而研究了索拉力性能因子在全工作空间内的分布情况；④提出了符合一定稳定度条件的稳定工作空间的求解方法。完成的主要工作及取得的创新性研究成果归纳如下：1.定义了影响柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性的“位置”因素,提出了影响末端运动稳定的位置性能因子,分析了位置性能因子的影响参数,进一步给出了位置性能因子的解析表达式,并绘制了位置性能因子在工作空间不同区域所形成的等位曲线。针对柔索牵引并联机器人绳索的悬链线特性,分析了结构尺度以及末端执行器与绳索总质量比值对大跨度绳索悬链线形态的影响机制。从柔索牵引并联机器人的运动学解出发,提出了影响末端运动稳定的位置性能因子。以绳牵引摄像机器人为研究对象,对直线模型和悬链线模型下绳牵引摄像机器人的运动学和位置性能因子进行比较,从而为更准确地衡量和评价柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性奠定基础。2.阐述了影响柔索牵引并联机器人末端执行器运动的稳定性的“约束力”因素,定义了当前位置点处所有绳索的最小索拉力,提出了影响末端稳定性的索拉力性能因子,剖析了索拉力性能因子的决定因素,给出了索拉力性能因子的隐函数表达式,并分析了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空间的分布情况。基于欠约束、完全约束和冗余约束柔索牵引并联机器人直线和悬链线两种情况下的冗余索拉力求解模型,绘制了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空间的分布图谱。针对必须把绳索建模为悬链线模型的完全和冗余约束柔索牵引并联机器人,建立了求解其索拉力的优化模型,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,为柔索牵引并联机器人的力控制奠定了理论基础。通过对比两种模型下末端处于工作空间任一位置点处的索拉力、最小索拉力以及索拉力性能因子,表明对于大尺寸柔索牵引并联机器人,把大跨度绳索建模为悬链线形态的必要性。3.提出了柔索牵引并联机器人基于位置性能因子和索拉力性能因子的力位混合结构稳定性以及考虑末端运动速度的三位一体运动稳定性求解方法,分析了影响末端稳定性的决定因素,并给出了力位混合的稳定性因子的隐函数表达式,进一步图示了力位混合的稳定度在工作空间不同区域的分布等位曲线。该力位混合稳定性求解方法针对柔索牵引并联机器人特有的柔性驱动特性,结合了影响柔索牵引并联机器人末端执行器运动稳定性的主要影响因素,采用加权系数法,构建了评价柔索牵引并联机器人末端执行器运动稳定性的解析方法。其采用区间(0,1]之间的数值来衡量柔索牵引并联机器人的稳定性,不同于传统的对稳定性的状态只存在稳定或者不稳定两种情况的评价标准,能够较为灵活的获取满足一定稳定度的柔索牵引并联机器人的稳定工作空间。并对两种模型下柔索牵引并联机器人末端运动的稳定度进行对比和分析,以便能够为大跨度柔性驱动的柔索牵引并联机器人运动的稳定性的求解方法提供理论依据和求解策略,进一步打破制约柔索牵引并联机器人发展主要瓶颈。4.从力位混合稳定性能求解方法和工作空间的定义出发,提出了完全约束以及冗余约束柔索牵引并联机器人的稳定工作空间的定义,研究了其稳定工作空间的存在条件及其求解方法。进一步将柔索牵引并联机器人受到广义外力扰动后的工作空间与稳定工作空间进行比较,仿真结果表明采用力位混合稳定性求解因子的合理性。
【关键词】：柔索牵引并联机器人 最小索拉力 性能因子 稳定性 工作空间
【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】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 符号对照表15-17
• 缩略语对照表17-21
• 第一章 绪论21-39
• 1.1 研究背景和意义21-23
• 1.2 柔索牵引并联机器人的研究现状23-33
• 1.2.1 特点与分类23-24
• 1.2.2 国内外发展动态24-30
• 1.2.3 研究现状30-33
• 1.3 本文研究目的和意义33-35
• 1.4 本文的主要工作35-39
• 第二章 柔索牵引并联机器人运动学分析39-65
• 2.1 引言39-40
• 2.2 柔索牵引并联机器人的直线模型40-45
• 2.2.1 柔索牵引并联机器人直线模型的位置分析41-43
• 2.2.2 柔索牵引并联机器人直线模型的速度分析43-45
• 2.3 柔索牵引并联机器人的悬链线模型45-49
• 2.3.1 绳索的悬链线模型45-48
• 2.3.2 绳索悬链线模型的位置正解分析48-49
• 2.4 绳索直线与悬链线模型仿真分析49-60
• 2.4.1 仿真机构描述49-51
• 2.4.2 结构尺寸对两种模型差别的影响51-56
• 2.4.3 末端重量M对悬链线模型差别的影响56-60
• 2.5 绳牵引摄像机器人位置因子的分布60-64
• 2.6 本章小结64-65
• 第三章 柔索牵引并联机器人最小索拉力分布研究65-91
• 3.1 引言65-66
• 3.2 柔索牵引并联机器人直线模型最小索拉力分布66-72
• 3.2.1 柔索牵引并联机器人直线模型的驱动力求解模型66-68
• 3.2.2 柔索牵引并联机器人直线模型冗余绳索张力优化求解68-72
• 3.3 柔索牵引并联机器人悬链线模型最小索拉力分布72-80
• 3.3.1 柔索牵引并联机器人绳索的悬链线模型73-74
• 3.3.2 柔索牵引并联机器人悬链线模型的驱动力求解模型74-76
• 3.3.3 柔索牵引并联机器人悬链线模型冗余绳索张力优化求解76-79
• 3.3.4 柔索牵引并联机器人索拉力性能因子79-80
• 3.4 摄像机器人的最小索拉力分布仿真80-89
• 3.4.1 摄像机器人简介80-81
• 3.4.2 直线模型最小索拉力分布仿真81-84
• 3.4.3 两种模型最小索拉力分布对比分析84-89
• 3.5 本章小结89-91
• 第四章 柔索牵引并联机器人稳定性评价91-111
• 4.1 引言91-92
• 4.2 柔索牵引并联机器人的稳定性评价92-97
• 4.2.1 传统刚性支撑约束的稳定性92-93
• 4.2.2 柔索牵引并联机器人稳定性分析93-95
• 4.2.3 三种类别柔索牵引并联机器人稳定性的比较95
• 4.2.4 柔索牵引并联机器人的稳定性的影响因素95-97
• 4.3 柔索牵引并联机器人的结构稳定性评价方法97-100
• 4.4 柔索牵引并联机器人的运动稳定性评价方法100-101
• 4.5 仿真算例101-110
• 4.5.1 柔索牵引并联机器人直线模型稳定性仿真101-104
• 4.5.2 柔索牵引并联机器人悬链线模型稳定性仿真104-106
• 4.5.3 柔索牵引并联机器人运动稳定性仿真106-109
• 4.5.4 力位混合稳定度权因子影响仿真109-110
• 4.6 本章小结110-111
• 第五章 柔索牵引并联机器人稳定工作空间求解111-127
• 5.1 引言111-112
• 5.2 柔索牵引并联机器人稳定工作空间的定义112-117
• 5.2.1 柔索牵引并联机器人的动力学平衡方程112-114
• 5.2.2 柔索牵引并联机器人稳定工作空间求解114-117
• 5.3 柔索牵引并联机器人稳定工作空间求解117-121
• 5.3.1 柔索牵引并联机器人最小索拉力工作空间求解117-118
• 5.3.2 柔索牵引并联机器人稳定工作空间求解118-121
• 5.4 数值仿真和讨论121-126
• 5.4.1 绳牵引摄像机器人简介121-122
• 5.4.2 摄像机器人稳定工作空间数值仿真122-124
• 5.4.3 摄像机器人最小索拉力工作空间数值仿真124-126
• 5.5 本章小结126-127
• 第六章 总结与展望127-133
• 6.1 本文主要工作和结论127-130
• 6.2 今后工作的展望130-133
• 参考文献133-153
• 致谢153-155
• 作者简介155-156

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