繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的力學(xué)分析與性能優(yōu)化.pdf

1、繩牽引并聯(lián)機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人家族中重要的組成部分，具有負(fù)重/質(zhì)量比高、工作空間大、響應(yīng)速度快和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，極大地拓展了并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值。
　　工作空間是繩牽引并聯(lián)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其余研究都以工作空間為前提。工作空間的決定因素有二：“力”因素，保證機(jī)構(gòu)在平衡外力的同時(shí)保證繩索張力為正，是主要因素；“幾何”因素，保證機(jī)構(gòu)各部件不發(fā)生相互干涉，是次要因素?！傲Α币蛩氐谋举|(zhì)是繩的單向受

2、力性，這又帶來(lái)了繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)冗余性，導(dǎo)致了張力求解的不確定性，需通過(guò)張力優(yōu)化分布得到唯一解。在通過(guò)繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的張力優(yōu)化分布進(jìn)行實(shí)時(shí)力控制時(shí)不僅要求張力可以實(shí)時(shí)解算，還要求張力力可以連續(xù)變化。然而以往對(duì)繩牽引并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行張力優(yōu)化分布時(shí)往往忽略了繩索的質(zhì)量和慣性力，這使其不適合于大跨度高速運(yùn)動(dòng)的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)，需要在動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程中予以克服。結(jié)合大跨度、冗余驅(qū)動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人具有很大的運(yùn)動(dòng)范圍和機(jī)動(dòng)能力

3、，是繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)新興發(fā)展方向，繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱(chēng)攝像機(jī)器人)是這種機(jī)構(gòu)的典型代表。但攝像機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)其性能造成很大影響，且在實(shí)際運(yùn)行中易于受到氣象條件的干擾，需要一種符合其實(shí)際特點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)提升其整體性能。
　　本文的研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
　?、倬C合“力”和“幾何”因素來(lái)分析工作空間；
　　②從“定量”的角度評(píng)價(jià)繩索張力求解的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；
　?、劢⑵鹜暾睦K牽引

4、并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型；
　　④提出符合攝像機(jī)器人特點(diǎn)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　本文的研究圍繞國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“高速柔索牽引攝像機(jī)機(jī)器人機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性研究(51175397)”的相關(guān)內(nèi)容，旨在為繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的性能提升和實(shí)際工程應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)，打破桎梏攝像機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的理論瓶頸，也將促使我國(guó)早日擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的攝像機(jī)器人，使我國(guó)的攝像機(jī)搭載技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。完成的主要工作和創(chuàng)新型成果歸納為以下四個(gè)部分：

5、r>　　第一部分研究基于力旋量可行動(dòng)力工作空間的干涉區(qū)域判定和求解。明確定義了干涉的三種分類(lèi)，分析了每種干涉的形成成因，推導(dǎo)了三種干涉的數(shù)學(xué)判定條件。與力旋量可行動(dòng)力工作空間的求解方法相結(jié)合提出了完備的干涉求解方法，揭示了干涉發(fā)生的本質(zhì)規(guī)律，為機(jī)構(gòu)避免干涉的發(fā)生奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第二部分研究繩索張力解算的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性問(wèn)題。明晰了繩索張力解算的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的定義，提出了衡量連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合凸優(yōu)化理論、方程求根公

6、式和多項(xiàng)式極值定理建立了適用于完全約束繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的繩索張力優(yōu)化分布算法。通過(guò)算例研究了不同張力優(yōu)化目標(biāo)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的差異和特點(diǎn)，為繩索張力優(yōu)化目標(biāo)選取提供了有益的參考。
　　第三部分研究考慮繩索質(zhì)量和慣性力的繩索張力優(yōu)化分布。在將繩索上的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分解為繩索所在鉛垂平面內(nèi)的軸向收放運(yùn)動(dòng)和正交于鉛垂面的離面運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元的思想建立了繩索質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程，再通過(guò)積分的“組裝”運(yùn)算得到了整根繩索的動(dòng)力學(xué)方程。采用牛頓-

7、歐拉法推導(dǎo)了包含繩索動(dòng)力學(xué)影響的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，建立了適用于完全和冗余約束繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的張力優(yōu)化模型，提出了一種以直線(xiàn)狀態(tài)下的索長(zhǎng)和張力為迭代初始值，以索的垂度不發(fā)生改變?yōu)榻K止條件的迭代算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)張力的優(yōu)化求解，為繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的力控制奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第四部分研究攝像機(jī)器人的多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提升攝像機(jī)器人的整體性能。在分析攝像機(jī)器人實(shí)際工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理想點(diǎn)法和罰函數(shù)法建立了綜合

8、衡量繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)器人跟蹤拍攝能力、抗風(fēng)擾能力和繩索張力沖擊作用的多目標(biāo)優(yōu)化模型。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法全局優(yōu)化搜索能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出了具有更強(qiáng)的全局優(yōu)化搜索能力的改進(jìn)型遺傳算法——“基于種群信息熵的自適應(yīng)多島遺傳算法”(Adaptive Multi-island Genetic Algorithm based on Information Entropy of the Population，IEPAMGA)。該改進(jìn)型算法具有適應(yīng)度標(biāo)定、