绳牵引门式起重机器人动力学建模与分析

由于传统的造船门式起重机难以控制吊具姿态,因此涉及空中翻身等复杂动作的精准组装作业成为难点。为提高船舶建造效率、减少建造周期,将绳牵引并联机器人应用至门式起重机吊装领域,并开发一种新型绳牵引起重机器人。首先,通过矢量封闭理论对绳牵引起重机器人的运动学位置逆解进行分析,拟定吊具的运动轨迹,分析绳长的变化情况。其次,基于牛顿-欧拉法建立了绳牵引起重机器人的动力学模型,并采用绳索张力分布算法对绳索张力进行了优化。再次,通过MATLAB和ADAMS进行联合仿真。仿真结果表明:优化后的绳索张力光滑连续变化;在系统为开环的情况下,环形轨迹下绳长变化最大误差均值为46 mm;螺旋线轨迹下绳长变化最大误差均值为27 mm;往复运动轨迹误差比例均值为0.55%。最后,搭建了实验样机,实验条件下绳索张力误差比例在22%以内,验证了建立的动力学模型的准确性,为控制策略设计及样机开发提供了理论基础。

绳牵引轨道运输斜巷设置跑车防护探讨

基于对无极绳连续牵引车和绳牵引卡轨车的梭车制动装置、车辆编组形式,以及相关规范、标准、规程条文的研究,探讨了无极绳连续牵引车和绳牵引卡轨车在斜巷运输系统中是否需要设置跑车防护装置的问题,通过分析研究得出绳牵引斜巷轨道运输系统中,缠绕式绞车和无极绳绞车提升串车时斜巷内必须设置跑车防护装置。无极绳连续牵引车和绳牵引卡轨车两种辅运设备,要求在车组编组中编入带制动功能的梭车或安全制动车,作为牵引绳断绳保护;其次,可以在车组尾部加挂安全制动车或带抱绳功能的辅助牵引制动车,解决矿车与矿车之间连接处脱销、断销、断链而发生跑车事故;最后,车组加挂保险绳作为最后一道防跑车的安全措施。

基于绳牵引并联机构的废墟搜救装备研究

废墟搜救在自然灾害或事故灾难救援中扮演着重要角色,然而,目前还没有专门适用于废墟搜救的大型平台装备。绳牵引并联机构具有工作空间大、结构简单、自身惯量小等优点,对于废墟搜救装备研发具有重要意义。本文从绳牵引并联机构的结构特性出发,结合废墟搜救实际需求和环境特点,提出了基于绳牵引并联机构的废墟搜救装备3种结构形式,研究了绳牵引并联机构运动学解算、绳索速度控制以及绳索悬挂点定位技术等,为基于绳牵引并联机构的应急救援装备研发奠定了理论基础。

应用于飞行器风洞试验的绳牵引并联机构技术综述

首先概述了法国航空局SACSO项目关于绳牵引并联机构应用于飞行器风洞试验的研究工作,然后从六自由度绳牵引并联机构的结构设计、运动学及性能分析、工作空间的分析与综合、静刚度分析、运动控制和力控制等六方面,详细分析了六自由度绳牵引并联机构应用于飞行器风洞试验中的关键技术。分析结果表明:六自由度绳牵引并联机构必须根据飞行器的类型,以工作空间大小为依据进行构型设计;其运动控制方案可借用PID控制或自适应控制,其优点是便于动力学模型的线性化和解耦;其力控制方案可借用经典的阻抗控制和力/位置混合控制,但适用于飞行器风洞试验的六自由度绳牵引并联机构的更完善的力控制策略还有待进一步的研究。

低速风洞绳牵引并联支撑系统的机构与模型姿态控制方案设计

首先介绍作为风洞试验中新型'软式'支撑系统的绳牵引并联支撑系统;其次,在给定的设计要求下,依据缩比模型所需运动,探讨绳牵引并联支撑系统的设计原理,并提出详细的设计步骤,得到了一个8根绳牵引的RRPM:WDPSS-8,使缩比为1∶40的F-15E模型可实现的俯仰角达-79°～71°、滚转角达-90°～90°、偏航角达-38°～39°;最后,在建立系统的动力学模型的基础上,采用基于绳长关节空间的驱动力矩控制器的位置控制方案来进行缩比模型的姿态控制,并用Lyapunov函数证明缩比模型在该控制规则下的运动稳定性.

多机器人并联绳牵引系统的运动学及动力学解

对于多台机器人通过绳索协同牵引负载的并联系统,考虑了每个机器人与绳索的连接点具有任意移动的3个平动自由度的一般性情况.对该系统建立广义性的运动学方程,分别利用牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程建立系统的动力学方程.根据机器人、绳索、负载三者之间的关系,分成三大类问题,从方程是否有解的角度,分别对各类问题下解的情况进行分析.从实际应用的角度,讨论各种情况下解的处理方法.对于无解或无穷解时,提出解决方法.对于有解时,提出舍去不符合设计要求的解的方法.若存在多组解,则提出一个寻找最优解的方法.通过举例仿真验证系统的运动学和动力学模型并说明解的处理方法.

高速绳牵引并联摄像机器人冗余驱动力优化求解

将完全约束绳牵引并联机构的冗余驱动求解问题转化为凸可行域上的多项式极值问题,提出了衡量驱动优化求解连续性和实时性的指标.通过对一个典型的摄像机器人驱动力分布优化问题的求解,对比分析了几种驱动力优化指标的实时性与连续性,并给出了指标选取的具体建议.

绳牵引并联机器人工作空间的存在条件证明及一致求解策略

研究欠约束、完全约束及冗余约束绳牵引并联机器人的工作空间,提出适用于三类约束的绳牵引并联机器人工作空间的一致求解策略。由作用力单向性的共同特点,将力封闭手指抓取机器人的凸条件引入至一般绳牵引并联机器人,得到其可控工作空间的存在定理。基于存在定理、凸集理论、线性代数理论和投影定理,以推论的形式给出三类约束绳牵引并联机器人工作空间存在的普遍条件,并进行充分必要性证明。给出工作空间存在的普遍条件为,机器人结构矩阵满秩,且结构矩阵的列矢量与广义外力矢量在空间超平面法向矢量方向上的投影满足方向与大小平衡。根据定理和推论,提出一种适用于三类约束绳牵引并联机器人工作空间的一致求解策略,并应用一致求解策略对三个典型机器人的工作空间进行求解和对比分析。

绳牵引并联机构的研究概况与发展趋势

总结了近 2 0年来关于绳牵引并联机构的研究概况和研究内容 ;论述了绳牵引并联机构的构型、工作空间、刚度和冗余性等方面的研究 ;分析了绳牵引并联机构的应用前景与发展趋势 ,指出了绳牵引并联机构在建筑机器人、虚拟现实的力反馈装置和触觉装置、大型运动仿真器、大型射电望远镜、超高速机器人、超大工作空间的轻型机器人和风洞试验等领域的应用前景 ,展望了绳牵引并联机构的预期研究内容。

低速风洞绳牵引并联支撑系统的运动学参数标定

提出一种用两个倾角计且基于逐次逼近算法对风洞绳牵引并联支撑系统WDPSS-8的运动学参数进行标定的方法,利用该方法对WDPSS-8的49个主要运动学参数进行了辨识,通过计算机仿真对辨识结果进行了验证,从而为提高WDPSS-8的缩比模型的姿态角精度奠定了理论基础。

6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划

首先,基于6自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型,给出了可用于运动轨迹规划的绳的速度和加速度 的一般结论:绳的速度值始终不大于动平台上相应铰链点的速度值;而正的绳加速度值始终不大于动平台上相应 铰链点沿绳拉力方向的加速度值。接着,提出一种适用于大部分工作空间的绳拉力的计算算法。然后,选择一个 结构紧凑的6自由度完全约束定位机构,以末端执行器能实现空间螺旋∞型的轨迹为目标,进行运动规划,研究 绳的运动特性。仿真结果验证了以上所得到的一般性结论。同时表明,一些绳的拉力的变化不大;而另外一些绳 的拉力的变化很大。这些运动轨迹规划的仿真结果,能为以后该机构的运动控制方案的研究提供依据。提出的运 动轨迹规划方法对一般的6自由度绳牵引并联机构都适用。

立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的位姿运动学分析

给出所设计的立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的模型;在该模型的竖直平面上对末端执行器进行了详尽的位姿运动学分析,提出了封闭矢量四边形法则在求解所有的不规则几何图形的位姿运动学逆解时都适用的观点.文中运用力矩平衡法确定其质心位置的方法;又根据封闭矢量四边形法则,建立了运动学位姿逆解模型,利用Moore-Penrose逆求解运动学位姿正解;最后在所规划的椭圆轨迹下,采用Simulink仿真软件进行了末端执行器的运动轨迹和绳长变化规律的仿真.研究表明:在所规划椭圆轨迹下,所有绳长的变化是连续的;位姿运动学正逆解相互验证表明所采用的算法是正确且通用的.

低速风洞绳牵引并联机器人支撑系统的模型姿态与振荡控制研究

介绍了基于机器人技术的绳牵引并联机构的特点;设计并建造了适用于低速风洞试验的八绳六自由度绳牵引并联支撑机构样机(WDPSS-8),给出其具体的结构参数,分析了该机构的特点及可行性;建立了该系统的运动学位姿逆解模型和静力学模型,完成了运动学逆解的推导,得到已知缩比模型位姿求绳长变化的公式;搭建了相应的绳牵引并联机构的控制实验平台,在此基础上进行了静力学工作空间的分析,通过Matlab编程仿真得到了缩比模型在主位姿处3个姿态角的工作空间;并在此实验平台上进行了缩比模型的三转动自由度姿态变化运动控制,实现了缩比模型运动到指定角度的控制;在此基础上按指定振幅和频率进行了三转动单自由度振荡的运动控制;对运动控制试验结果进行了初步的误差分析。

风洞试验绳牵引并联机器人高精度控制仿真

针对一种应用于风洞试验的六自由度绳牵引并联机器人系统,研究其支撑的飞行器模型高精度运动控制问题.首先从系统运动学角度出发,针对绳与飞行器模型之间可能出现的干涉问题,基于绳系时变结构的概念,建立了一个单自由度时变运动方程.构建了驱动系统与飞行器的动力学模型,设计了基于飞行器位姿直接反馈的比例微分控制器,并进行稳定性分析.最后,分别以单自由度和多自由度运动为例,进行绳系结构非时变系统与时变系统的数值仿真.分析结果表明,本文所建立的数学模型是正确可行的,采用一种单自由度时变结构可以有效避免俯仰运动干涉.通过合理设置预紧力,可以避免运动过程中牵引绳松弛.采用PD控制率可以实现飞行器模型的高精度运动控制,从而满足风洞试验的实际应用需求.

绳牵引并联机器人的静刚度解析

基于微分变换和线几何理论,建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型,推导刚度矩阵的数学表达式。模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响,而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化。通过线矢量的引入,分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵。模型表明,绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成,其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性;另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积。大射电望远镜5 m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效。

绳牵引并联机器人弹性变形对动平台位姿精度的影响

针对六自由度绳牵引并联机器人在风洞试验中的应用,分析了牵引绳弹性变形对动平台位姿精度的影响,其实质是运动学正解问题。鉴于牵引绳只能受拉力的特点,以及风洞试验的目的,须考虑系统的刚度和绳拉力的优化。基于系统运动学和动力学方程,推导了系统刚度矩阵;以提高系统主方向刚度为目标函数,对绳拉力进行了动态优化分布,以求解弹性变形;采用L-M数值方法进行运动学正解,量化分析了两种不同弹性模量的牵引绳对系统刚度的影响,以及弹性变形引起的动平台位姿误差。研究结果表明,以刚度增强为优化目标,有利于提高系统稳定性;采用弹性模量较大的牵引绳,可以有效提高系统的刚度,减小绳长变形引起的飞行器模型位姿误差,满足风洞试验的精度要求。上述结果可为后续机构的改善和系统高精度的力位混合控制提供依据和指导。

6自由度绳牵引并联机构的运动学分析

在分析总结前人研究成果的基础上,提出了一种由7根绳牵引的结构紧凑的6自由度并联机构:首先对机构构型进行了描述:接着建立了机构静力学模型,总结了前人关于绳牵引并联机构的可控工作空间、具有拉力条件的工作空间和具有刚度条件的工作空间分析方法;并针对提出的6自由度绳牵引并联机构,采用Monte-Carlo技术在Matlab环境下编程进行仿真,验证所采用的工作空间分析方法的可行性。仿真结果表明:机构平动可控工作空间大而转动工作空间小;在主位姿附近机构的刚度性能好:但许可的绳拉力范围小;工作空间的边界问题仍待解决。后续工作还将进行机构的运动学综合。该构型的6自由度绳牵引并联机构在超大工作空间的机器人领域有潜在的应用前景。

绳牵引并联机构奇异性分析及无奇异机构设计

绳牵引并联机构是将驱动器的运动和力以绳为介质并行转换成动平台的运动和力的装置,其末端执行器的自由度数可定义为机构的结构矩阵的所有旋量正张成的实数空间的维数。指出绳牵引并联机构仅有过运动性的奇异类型,阐明该奇异是一种由于位姿几何的特殊导致动平台的力旋量集合的维数降秩的现象;以一个1R2T机构为例指出了机构的奇异性除了会导致机构失去控制,还会导致绳优化拉力分布的不连续性:以1-2-1型的1R2T 机构为例研究动平台的重力会对机构的奇异性所造成的影响,从而发现即便动平台重力无法消除机构的奇异点, 但却能使各根绳的拉力分布重新得以配置。提出用各个转动自由度相互解耦,而平动运动能得到完全控制的机构是无奇异的这个原理来构造无奇异性的1-2-1型的CRPM(1R2T)、2-3-2型的RRPM-7(2R3T)的方法;提出用对心抓取定理构造无奇异性的2-2型的CRPMs(1R2T)和3-3型的CRPM(2R3T)的方法;提出用3维力封闭抓取定理构造无奇异性的3-3-3型的RRPM-9(3R3T)的方法。

绳牵引并联机器人工作空间的判定条件与解析表达

研究6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的性质,给出并证明在不同牵引绳根数下末端执行器位姿属于力旋量封闭工作空间的充要条件,分析满足矢量封闭原理的结构矩阵对应的几何特征。总结6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的判定定理,即结构矩阵满秩,在结构矩阵中存在列矢量位于6个线性独立列矢量反方向张成的六维凸锥内,且满足相关系数之和大于0。基于以上定理和性质,推导6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间边界的解析表达式,提出力旋量封闭工作空间解析求解方法。数值算例验证了方法有效可行。

六自由度绳牵引并联机构的可达工作空间分析

提出一种由 7根绳牵引的六自由度并联机构 ,建立其数学模型 .对机构进行基于矢量封闭原理的可达工作空间分析 ,同时采用 Monte- Carlo技术在 Matlab环境下编程进行仿真 ,验证所采用分析方法的可行性 .仿真结果是可达工作空间的数值近似表示 ,可通过提高所提取的点数来提高显示精度 .