纜索緊耦合多機器人建模與工作空間分析.pdf

1、隨著人類文明的進步，社會科技的日新月異，人類對機器人的要求越來越高，單臺機器人無論從工作空間、動力還是工作效率都無法滿足人類的需求，多機器人協(xié)同作業(yè)已經(jīng)成為了一種趨勢。多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)應(yīng)用在惡劣工況下（如核輻射環(huán)境、地震救災(zāi)、空中或海底救援等）具有較大的實用價值。
　　本文以三臺工業(yè)機器人為例，擬從纜系式緊耦合多機器人系統(tǒng)模型和限定條件的數(shù)學(xué)描述出發(fā)，分析該類系統(tǒng)的獨特性。首先建立多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，找到系統(tǒng)的位移

2、約束、速度關(guān)系以及加速度方程，得到了從機器人關(guān)節(jié)角到吊運重物的位姿之間的關(guān)系表達式，建立了機器人、繩索、吊運重物的數(shù)學(xué)模型。在UG中建立機器人、繩索、重物的三維實體模型，將UG中的三維實體模型導(dǎo)入到 ADAMS中，在MATLAB中建立多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB控制ADAMS中多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)模型：從MATLAB中的數(shù)學(xué)模型中結(jié)算得出機器人的關(guān)節(jié)角控制信號，將機器人的關(guān)節(jié)角控制信號輸入到ADAMS中多機器人聯(lián)合吊

3、運系統(tǒng)模型，控制ADAMS中多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)，將ADAMS中多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)重物位姿反饋到MATLAB中，完成閉環(huán)控制。建立多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)實體仿真模型：在上位機中建立多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，上位機將控制信號輸入到運動控制卡，運動控制卡將信號轉(zhuǎn)換輸入到驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動步進電機完成實體實驗臺架的運動，物體位姿傳感器將感應(yīng)到的重物位姿反饋到上位機中完成閉環(huán)的控制回路。對多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的可行域研究，系統(tǒng)的可行域就是

4、系統(tǒng)的工作空間，對于系統(tǒng)的整體研究有著重要的意義，在工業(yè)機器人三個關(guān)節(jié)角的范圍、機器人的參數(shù)、繩索長度、機器人空間布局、重物與繩索結(jié)點坐標(biāo)已設(shè)定的情況下，求解多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的位置可行域，可以先根據(jù)單個機器人的運動學(xué)，由蒙特-卡洛思想隨機取點機器人關(guān)節(jié)角的度數(shù)（在機器人關(guān)節(jié)角的可取范圍內(nèi)）得到機器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)，多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的運動學(xué)是已知三個機器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)尋找吊運重物的位置坐標(biāo)。在多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時，

5、建立了位移約束、速度關(guān)系、動力學(xué)方程等關(guān)系，求解吊運重物的坐標(biāo)時，可以聯(lián)立位移約束、速度關(guān)系方程式，假設(shè)吊運重物的三個歐拉角為零，吊運重物的處于靜止?fàn)顟B(tài)，速度、加速度都為零，可以解得吊運重物的位置坐標(biāo)。根據(jù)動力學(xué)方程，求解繩索受力，在吊運過程中，繩索受力為力平衡、力均衡，對此時位置可行域進行判斷，得到符合要求的可行域中的點。根據(jù)蒙特-卡洛思想，可以多次重復(fù)此過程，得到吊運重物的位置可行域。設(shè)定工業(yè)機器人三個關(guān)節(jié)角的范圍，在給定機器人的參

6、數(shù)、繩索長度、機器人空間布局、重物與繩索結(jié)點坐標(biāo)的情況下，吊運重物在空間某一點處的姿態(tài)可行域是一定的，可以得到系統(tǒng)位置工作空間中具體坐標(biāo)點的姿態(tài)工作空間。在工業(yè)機器人三個關(guān)節(jié)角的范圍、機器人的參數(shù)、繩索長度、機器人空間布局、重物與繩索結(jié)點坐標(biāo)已設(shè)定的情況下，求解多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)的姿態(tài)工作空間，可以先根據(jù)單個機器人的運動學(xué)，由蒙特-卡洛思想隨機取點機器人關(guān)節(jié)角的度數(shù)（在機器人關(guān)節(jié)角的可取范圍內(nèi)）得到機器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)，在多機器人聯(lián)

7、合吊運系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時，建立了位移約束、速度關(guān)系、動力學(xué)方程等關(guān)系，求解吊運重物姿態(tài)工作空間時，可以聯(lián)立位移約束、速度關(guān)系方程式，取定吊運重物的空間坐標(biāo)，吊運重物的處于靜止?fàn)顟B(tài)，速度、加速度都為零，可以解得吊運重物的歐拉角。根據(jù)動力學(xué)方程，求解繩索受力，在吊運過程中，繩索受力為力平衡、力均衡，對此時姿態(tài)可行域進行判斷，得到符合要求的歐拉角。根據(jù)蒙特-卡洛思想，可以多次重復(fù)此過程，得到吊運重物的姿態(tài)可行域。多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)逆運動學(xué)的求解

8、：系統(tǒng)逆運動學(xué)就是找到機器人關(guān)節(jié)角度變化與吊運重物之間的運動學(xué)關(guān)系式，由于多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)中的變量較多，為了解除系統(tǒng)逆運動學(xué)的耦合情況，可以限制機器人末端執(zhí)行器走直線，限定機器人末端執(zhí)行器軌跡后，多機器人聯(lián)合吊運系統(tǒng)逆運動學(xué)可以得到唯一解，為了得到逆運動學(xué)的數(shù)學(xué)解析表達式，可以將一般運動進行分解，成為六個自由度的分運動，通過求解得到關(guān)于六個分運動的數(shù)學(xué)表達式。最后，可以在虛擬仿真實驗平臺上驗證逆運動學(xué)的真確性。開展纜系式緊耦合多機器