混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件,它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜(FAST)粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动,其工作特点类似并联机器人,因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型,首先进行了逆运动学分析;其次,采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型;最后,针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷,设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动,从而提高了馈源轨迹跟踪精度。

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度。针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式。基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关。以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度。数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的。研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用。

可重构柔索并联机器人协同避障方法研究

针对可重构索驱动机器人自身结构与环境障碍物间高碰撞风险问题,设计了一种基于临界支撑线及多指抓握的可重构柔索机器人协同避障方法。通过简化环境障碍物与机器人结构得到一类可重构柔索机器人在复杂环境下的一般模型,在此模型基础上利用其结构的拓扑约束及障碍物间的临界支撑线求取机器人的无碰撞运动区域;通过凸包算法及凸包映射算法求取不同构型及障碍物分布下可重构柔索并联机器人的力封闭工作空间,并分析不同构型及障碍物分布对机器人无碰撞力封闭工作空间的影响;随后,通过优化算法求取指定运动轨迹上最优索分布;最后在重构索驱动机器人实验平台对所得优化结果进行验证。实验结果显示,所设计的可重构柔索机器人协同避障方法能有效避免重构索驱动机器人运动过程中的碰撞。

一种柔索并联机器人的可达工作空间分析与刚度评价

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统可视为一种柔索并联机器人(WDPR).基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,引入张力、球铰和索长约束条件,确定了WDPR的可达工作空间.进而,借助于有限元分析方法,利用静刚度阵的最小奇异值来评价该机器人的刚度性能.通过对LT50 m WDPR缩尺模型的空间运动数值仿真,绘制了三维可达工作空间图形及刚度曲面.分析结果表明,张力约束条件对LT可达工作空间影响最大,WDPR机器人与Stewart平台的刚度有明显差异.

混合驱动柔索并联机器人系统集成设计

混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。

可缠绕式混合驱动柔索并联机器人可靠性分析

根据可缠绕式混合驱动柔索并联机器人的机构组成及工作原理,将失效模式与影响分析法(FMEA)和引入模糊集理论的故障树分析法(FTA)应用到该机器人系统的可靠性研究中,分析了机器人各子系统中零部件所有可能的故障模式、故障原因以及故障模式对系统的影响,找出了系统中潜在的薄弱环节和关键的零部件,通过理论计算可以得到机器人系统的故障隶属函数表及总体失效概率,结果显示机器人控制子系统对系统可靠性影响要大于机器人本体子系统和机器人动力子系统。研究结果对提高可缠绕式混合驱动柔索并联机器人系统可靠性有一定的指导意义。

电驱动柔索并联机器人轨迹跟踪滑模控制

针对大射电望远镜粗调系统的非线性、大滞后、多变量耦合以及易受外扰等特点,提出了一种馈源轨迹跟踪的滑模控制策略.该方法通过分阶段加入指数趋近控制来加快系统的响应,同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数,不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性,而且能够有效地抑制颤动.

6自由度柔索并联机器人的动力学建模与抗扰控制

大型射电望远镜柔索-馈源舱粗调子系统的改进方案通过8根柔索长度的协调变化来控制馈源舱的6自由度运动。首先进行了该机器人的运动学分析,并分别建立了末端执行器和驱动系统的动力学模型;其次,考虑柔索强度和电机负荷的约束条件,给出了以索力范数为目标实时优化求解索驱动力的方法;在此基础上,针对系统的非线性、强耦合特点以及随机风荷对系统的扰动,提出了一种新的复合控制策略。即利用基于绳长关节空间的PD修正前馈控制器引入非线性状态反馈补偿,通过干扰观测器观测外部扰动对电机跟踪性能的影响,进行振动抑制。数值结果表明方法的有效可行。

附加被动控制索系的柔索并联机器人的优化设计和振动分析

大射电望远镜馈源支撑系统是一类欠约束型索牵引并联机器人。对附加被动控制索系的此并联机构首次从整个工作空间优化设计的角度建立其优化模型,并用实验和数值仿真验证其抑振的有效性。首先,基于动平台的非线性静平衡方程提出系统的两层规划模型;其次,在iSIGHT软件平台上对LT5 m被动控制构型的设计参数进行优化求解;最后,通过数值仿真及实验分别比较有无附加被动控制索系结构的振动特性。结果显示,仿真与实验结果的最大振幅基本一致,LT新构型可以显著抑制系统的风振。研究结论为欠约束型WDPR(wire driven parallel robot)系统的减振提供新思路,并对LT500 m工程的结构设计有很好的借鉴作用。

基于Matlab与Labview的柔索并联机器人监控系统联合仿真

针对柔索并联机器人的结构特点,搭建了该机器人监控系统的总体框架。考虑到柔索并联机器人系统具有非线性强、外界干扰等特性,提出带有模糊补偿的自适应控制算法。进一步,通过Matlab与LabVIEW混合编程对柔索并联机器人进行了运动轨迹跟踪的联合仿真、监控界面的设计及网络发布。联合仿真结果表明,柔索并联机器人监控系统具有良好的轨迹跟踪性能,且监控人机界面友好,仿真效果较为直观明显。

混合驱动柔索并联机器人自适应迭代学习控制

以一种兼容混合驱动机构与柔索并联机构特点的新型混合驱动柔索并联机器人为研究对象,对其动力学建模及轨迹跟踪控制进行了研究;应用Lagrange方法建立了混合驱动柔索并联机器人系统的动力学模型;针对具有非线性、时变特性以及带有可重复时变干扰的混合驱动柔索并联机器人动态系统模型,设计了一种控制增益随迭代次数变化的自适应迭代学习控制策略,并采用Lyapunov函数证明了该控制器的稳定性;数值仿真结果表明,在该控制器的作用下,混合驱动柔索并联机器人控制系统能够完成高精度跟踪期望轨迹,进一步验证了所建系统动态模型的正确性及控制策略的有效性。

三自由度欠约束柔索驱动并联机器人的轨迹规划

柔索驱动并联机器人是一种特殊的并联机器人,属于柔性机器人的一类,它的末端执行器是由柔索代替刚性杆驱动实现其位姿的变化。研究了一种三自由度欠约束柔索驱动并联机器人,其索杆可以沿着圆形导轨旋转,即索杆夹角是可变的,实现机器人构型的可重构,减少柔索与柔索以及柔索与障碍物发生碰撞的概率。采用矢量闭环原理建立该机器人的逆运动学方程;根据拉格朗日公式建立该机器人的动力学方程;给定机器人末端执行器的运动轨迹,采用五次多项式进行规划,得出规划前后X、Y和Z方向的位移、速度和加速度曲线,在速度突变的点处,规划后的速度和加速度曲线实现光滑过渡,避免机器人在运动过程中发生振动和冲击,使得机器人末端执行器的运动轨迹平滑;三根柔索长度和拉力的实验曲线与规划后的期望曲线基本吻合,相机追踪轨迹与五次多项式规划后的运动轨迹基本一致;数值仿真和实验结果验证了三自由度欠约束柔索驱动并联机器人的逆运动学和动力学分析的正确性,以及五次多项式规划的有效性。

基于运动/力传递性能的索并联机器人尺度综合研究

索并联机器人使用柔性绳替代传统并联机器人的刚性连杆,以控制末端动平台,在搬运、医疗康复等领域得到了广泛应用。为了解决索并联机器人设计过程中存在的尺度综合问题,对索并联机器人的性能评估指标进行了研究。首先,根据螺旋理论确定了索并联机器人驱动输入与运动输出的运动/力传递关系,并提出了局部运动/力传递性能指标,评估了其在指定工作空间下的全局运动/力传递性能;然后,借助空间模型法,得到了索并联机器人在参数设计空间的性能图谱,并基于参数设计空间的性能图谱,对索并联机器人进行了尺度综合,以得到优化后的尺寸参数;最后,采用了平面3自由度索并联机构的试验样机,对运动学可达工作空间进行了试验验证,试验了得到了优化尺寸参数下的运动可达工作空间。研究结果表明:利用尺度综合方法优化后的机构允许姿态角达到|θ|≤60°的工作空间,占总工作空间的95.1%,可达工作空间提高了29.4%;优化后机构姿态角达到|θ|≤80°的工作空间,占总工作空间的67.3%,可达工作空间提高了81.3%;优化后允许机构姿态角达到|θ|=80°的工作空间,占总工作空间的14.5%,可达工作空间提高了172%。因此,对运动/力传递性能尺寸参数进行优化,可避免索并联机器人工作空间内的奇异位形,满足绳索单向力传递的特性要求,可在索并联机器人设计中作为尺度综合的依据。

4-1型柔索驱动并联机器人稳定性度量及其灵敏度分析

4-1型柔索驱动并联机器人性能优越具有较好的应用潜力,但评价并保证机器人末端执行器的稳定性任务艰巨。为此,对4-1型柔索驱动并联机器人的稳定性度量方法进行研究,提出一种融合机器人末端执行器位置和约束力影响因子的稳定性度量方法及其指标;建立4-1型柔索驱动并联机器人稳定性灵敏度分析模型,探索并分析末端执行器位置和柔索驱动力等因素对机器人稳定性的影响程度,提出采用关联度研究和分析末端执行器位置及柔索驱动力等参数对机器人稳定性的影响程度。以4索驱动拣矸机器人为例,对所建立的稳定性度量模型及其敏感度分析模型进行仿真研究,得出了能够保证拣矸机器人末端抓斗满足预定稳定性要求的位置点集。稳定性敏感度研究结果表明:拣矸机器人稳定性对驱动力影响因素的敏感度较大,关联度为0.9387~0.9647;其次为位置影响因素,关联度为0.5439~0.7743。

索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人的力学分析

柔索驱动并联机器人是并联机构中的一种特殊柔性机构,通过使用柔索代替刚性杆驱动末端执行器,其综合了柔性机器人和并联机器人两方面的优点。研究了一种索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人,根据矢量闭环原理,建立该机器人的逆运动学模型;根据柔索的长度,推导该机器人的正运动学模型;采用拉格朗日公式,建立该机器人的动力学模型;利用Monte-Carlo方法,研究该机器人的静力学工作空间;给定末端执行器的运动轨迹,通过机器人的逆运动学模型得出3根柔索的期望长度,以3根柔索的期望长度作为实验输入,得到3根柔索的实验长度曲线和拉力曲线以及机器人的正运动学轨迹。实验结果验证了该机器人的正逆运动学和动力学模型的正确性以及工作空间的有效性。

柔索驱动并联机器人变态模型相似性分析

分析了大跨度柔索驱动并联机器人(wire driven parallel robot,WDPR)变态模型的预测系数及相似度问题.建立了大射电望远镜(large radio telescope,LT)中WDPR系统的索张力和基频的相似性经验公式,并以此为基础获得了索张力和基频的预测系数.运用模糊数学理论确定出相似度的表达式.最后,通过模型试验和仿真分析验证出预测系数的有效性和相似度定义的合理性.研究理论为LT变态模型的试验奠定了基础.同时,研究方法也可应用到其它变态模型的相似性研究中.

柔索驱动并联机器人的误差分析及其标定仿真

建立了大射电望远镜(Large Radio Telescope-LT)中柔索驱动并联机器人(Wire Driven Parallel Ro-bot-WDPR)系统的末端误差模型,用正向运动学标定方式对LT5m缩比模型的运动学参数做了辨识。首先,建立LT舱索系统的运动学正、逆解模型;接着,在运动学分析的基础上建立了其误差模型,得到影响末端位姿误差的各项参数;最后,对LT5m柔索并联机构的标定过程作了模拟,验证算法的有效性。结果显示该算法收敛性好,忽略测量误差的情况下能够保证运动学参数具有很高的标定精度,从而为提高LT5m模型的控制精度奠定了理论基础。

基于YOLO模型的柔索并联机器人移动构件快速定位方法

针对柔索并联机器人移动构件实时定位问题,提出一种基于YOLO目标检测模型的柔索并联机器人移动构件快速定位方法。首先根据YOLO目标检测模型设计深度卷积神经网络结构,根据PASCAL VOC数据格式构建自己的数据集,并在该数据集上训练及测试模型,然后将工业摄像机采集得到的图像数据输入模型中进行标靶检测,记录标靶的类别和位置。分析标靶的颜色特征,并将标靶图像进行二值化,进一步计算出柔索并联机器人的精确位置。试验表明该方法能对图像中的目标进行准确分类和定位,定位误差在1°以内,图片处理帧率可达33帧,满足实时性要求,同时算法具有良好的准确性和有效性。

柔索驱动拣矸机器人分拣轨迹跟踪控制研究

柔索驱动并联机器人具有运动速度快、工作空间大以及动态承载能力强等优点而被用于煤矸石的快速精准分拣。然而,由于柔索的柔性和单向受力特性,在运动过程中柔索必须时刻保持张紧,使得柔索驱动拣矸机器人的精准分拣控制面临着巨大挑战。同时,拣矸置矸过程所导致的动态冲击和动力学参数的不确定、以及外界干扰等因素势必会影响拣矸机器人末端抓斗的运动精度,甚至导致目标矸石的抓取工作失败。因此,提出了一种能够保障拣矸机器人末端抓斗运动精度的鲁棒自适应模糊控制策略,以克服拣矸置矸过程所产生的动力学参数扰动和外界干扰等因素的影响。基于Lyapunov稳定性理论,证明了所提控制策略的稳定性。并通过空间螺旋轨迹和实用的分拣轨迹对所提出控制策略的控制效果进行了仿真分析。结果表明:末端抓斗对预定运动轨迹的跟踪效果良好,最大位置跟踪误差和均方根误差分别为2×10^(-2) m和8.9867×10^(-4) m;柔索驱动力光滑连续且满足柔索驱动力约束条件。证明了文中鲁棒自适应模糊控制策略对柔索驱动拣矸机器人轨迹跟踪控制有效且可靠。研究能够为柔索驱动拣矸机器人的进一步应用奠定良好的理论基础。