多機(jī)器人并聯(lián)繩牽引系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及分析.pdf

1、多機(jī)器人系統(tǒng)和繩牽引并聯(lián)機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域兩個(gè)前沿課題。由于多機(jī)器人系統(tǒng)具有能完成復(fù)雜任務(wù)、提高工作效率、分布式、經(jīng)濟(jì)性好、靈活性好等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。繩牽引并聯(lián)機(jī)器人是由并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展而來(lái)的，因此，它不僅具有并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)，如高剛度、高精度、靈活性好、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)；而且有繩索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)速率快和工作空間大等特點(diǎn)。它的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了它在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用價(jià)值。本文研究的系統(tǒng)是將多機(jī)器人系統(tǒng)和繩牽引并

2、聯(lián)機(jī)器人有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成了一個(gè)具有前兩者一些特點(diǎn)的新系統(tǒng)—多機(jī)器人并聯(lián)繩牽引系統(tǒng)，構(gòu)成了一個(gè)新的研究方向。因此，對(duì)其進(jìn)行研究具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　首先，對(duì)于多臺(tái)機(jī)器人通過(guò)繩索協(xié)同牽引負(fù)載的并聯(lián)系統(tǒng)，考慮了每個(gè)機(jī)器人與繩索的連接點(diǎn)具有任意移動(dòng)的3個(gè)平動(dòng)自由度的一般性情況。本文對(duì)此系統(tǒng)建立了廣義性的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并分別利用牛頓—?dú)W拉方程和拉格朗日方程建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。然后根據(jù)機(jī)器人、繩索、負(fù)載三者之間的關(guān)系，分成

3、了三大類(lèi)問(wèn)題，從方程是否有解的角度，分別對(duì)各類(lèi)問(wèn)題下解的情況進(jìn)行了分析。再?gòu)膶?shí)際應(yīng)用角度，討論了各種情況下解的處理方法。對(duì)于無(wú)解或無(wú)窮解時(shí)，提出了解決方法。對(duì)于有解時(shí)，提出了舍去不符合設(shè)計(jì)要求的解的方法。如果還存在多組解，提出了一個(gè)尋找最優(yōu)解的方法。最后舉例仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型并說(shuō)明了求解的方法。
　　其次，對(duì)于多機(jī)器人繩牽引負(fù)載的欠約束系統(tǒng)，由于不滿足力封閉條件，同時(shí)方程組一般不相容，因此無(wú)法求出準(zhǔn)確的工作空間。本文

4、分成了靜平衡工作空間和動(dòng)力學(xué)工作空間兩大類(lèi)進(jìn)行研究。對(duì)于靜平衡工作空間，先建立了系統(tǒng)的靜平衡方程，然后提出利用最小二乘法原理結(jié)合蒙特?卡羅方法，對(duì)負(fù)載低速或準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠快速求出其近似靜平衡工作空間，并分別利用法方程和QR分解給出了繩拉力的表達(dá)式。在機(jī)器人的位置和負(fù)載的位姿不發(fā)生力旋量失效的情況下，其有唯一的最小二乘解。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，利用該方法可快捷地求出不同空間構(gòu)型的欠約束繩牽引系統(tǒng)的靜平衡工作空間。對(duì)于動(dòng)力學(xué)

5、工作空間，結(jié)合Farkas和Stiemke引理，將工作空間的求解轉(zhuǎn)換成了是否存在超平面的問(wèn)題，最后結(jié)合蒙特?卡羅方法仿真驗(yàn)證了負(fù)載的加速度對(duì)動(dòng)力學(xué)工作空間的影響不大。
　　再次，開(kāi)展了對(duì)繩拉力優(yōu)化的研究。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程的分析，在逆問(wèn)題中，將其轉(zhuǎn)換成了非線性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)求取最優(yōu)解，可以得到滿足要求的繩的最低解和最高解，而最優(yōu)解是介于兩者之間，通過(guò)線性插值來(lái)表示。在特殊情況中，采取利用最小二乘法可以得到唯一的最小二乘解