基于四桿張拉整體結構的機器人研究.pdf

1、在高科技迅速發(fā)展的今天，機器人已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。張拉整體機器人作為機器人行業(yè)中一個全新的領域，由于其本身具有質量輕、易變形、抗沖擊等特點，可以應用到航天、探測、救災等很多領域當中，已經(jīng)引起大量學者的廣泛關注。本文對四桿張拉整體機器人進行深入研究，主要包括幾何構型、結構變形與運動學分析、結構穩(wěn)定性與承載能力分析、運動仿真以及實物樣機的試驗，具體內容如下：
　　首先進行一階張拉整體結構數(shù)學模型的建立。通過建立結構的節(jié)

2、點矢量矩陣，構件矢量矩陣，用連接矩陣建立起節(jié)點矢量矩陣與構件矢量矩陣之間的連接關系，從而建立出理論構型。根據(jù)節(jié)點力平衡關系進行扭轉角度?值的確定，得出p根桿組成的一階張拉整體結構的p-1種不同的理論構型。構建出所需要的四桿張拉整體結構三種理論構型和實物模型，并通過分析比較，選擇第一種理論構型與實物模型作為本文的研究對象。
　　其次對四桿張拉整體機器人運動學分析。通過結構的變形形狀分析，表示出結構節(jié)點坐標與對角索長度變化之間的函數(shù)關

3、系，從而得到結構變形過程中任意位置的節(jié)點坐標值。運用齊次坐標轉換法對建立出的理論模型進行坐標的齊次變換，得到結構側面三角形位于 XOY面上的位姿，方便分析結構質心與著地面三角形之間的位置關系。分別對奇偶數(shù)步態(tài)結構通過變形完成翻轉的可行性進行了分析，確定了對角索長度變化范圍和其他構件長度的對應關系，從而確定結構實現(xiàn)連續(xù)滾動過程中驅動索構件長度的連續(xù)變化量。最終通過變形過程中節(jié)點位置變化，得到節(jié)點運動的速度、加速度與對角索長度變化之間確定的

4、函數(shù)關系，確定了結構變形過程中驅動索構件的控速策略。
　　接著建立節(jié)點力平衡方程以及變形協(xié)調方程，運用SM法和乘積力法對結構的初始形態(tài)以及變形過程中的形態(tài)穩(wěn)定性進行判定，確保建立的四桿張拉整體機器人結構是穩(wěn)定的，具有可控性，不會發(fā)生矢穩(wěn)現(xiàn)象。利用有限元法構建結構的剛度矩陣，對結構施加預應力，從而對結構的剛度矩陣進行修正，得到適用于張拉整體結構系統(tǒng)的剛度矩陣。在施加外力的條件下，通過分析結構的變形量來判斷結構的承載能力，確保結構具有

5、承載一定量載荷而不會發(fā)生變形。
　　最后進行運動仿真和樣機的試驗。運用ADAMS軟件對四桿張拉整體機器人奇偶數(shù)步態(tài)變形翻轉運動仿真、整體步態(tài)連續(xù)運動仿真、通過驅動單個對角索構件使結構發(fā)生變形完成結構滾動轉彎運動仿真，繪制四桿張拉整體機器人運動中節(jié)點位移曲線以及質心運動軌跡，并驗證其理論分析的正確性。通過試驗的方法，確定了四桿張拉整體機器人的驅動方式。運用Solidworks軟件完成樣機三維模型的創(chuàng)建，并制作出實物樣機。對樣機進行奇