考虑柔索振动影响时索牵引并联机器人的动力学分析与控制

现有索牵引并联机器人研究中,大多没有考虑柔索振动对系统运行精度的影响。为此,提出一种适用于慢速运动的索牵引并联机器人动力学模型,模型中将柔索的运动分解为稳态运动与小幅振动两部分。系统的期望运动可由柔索的稳态运动来实现,柔索偏离稳态位置的运动可由对应的小幅振动来描述。针对稳态运动和小幅振动分别设计了相应的控制器,稳态运动的控制器保证系统可按期望的轨迹运行,小幅振动的控制器则用来抑制柔索在运动过程中出现的振动,这种振动是不希望出现的。最后,给出了一个数值算例来验证本文动力学模型及控制算法的有效性。

一种缓慢运动索牵引并联机器人的跟踪控制

缓慢运动的索牵引并联机器人中,牵引索在做大范围运动的同时会伴随有低频振动,建立了这种柔索的动力学模型,得到柔索的长度、张力与振动位移之间的关系。针对执行机构产生的索长收放误差,提出一种控制策略,利用机器人终端的位姿和柔索张力的反馈结果由柔索动力学模型得到索长误差,经NPID控制器调整后完成索长修正。数值算例证明了该方法的有效性。

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。

考虑柔索垂度影响的索牵引并联机器人跟踪控制

为考虑柔索垂度影响采用抛物线方程来描述大跨度柔索的构形,推导出索端张力与索端位移和索长变化之间的关系。基于柔索力学方程建立索牵引机器人的动力学模型,模型中作用在末端执行器上的柔索合力与柔索长度和末端执行器的位姿直接相关。为便于在控制设计中引入力学模型,对动力学方程进行线性展开,得到作用在末端执行器上的柔索合力增量与索长变化和末端执行器位移之间的关系。作用在末端执行器上的柔索合力可以表示为其期望值与相应的增量之和,该增量是由索长误差及末端执行器位姿误差引起的。控制设计时首先采用李雅普诺夫法针对柔索合力设计反馈控制器,然后利用前述的增量关系构造出基于末端执行器位姿反馈,以索长调整量为控制输出的非线性控制器。该控制器在本质上为一带补偿项的非线性PD控制,控制器参数可随系统状态的变化而自动调整。数值算例证明了控制算法的有效性。

索牵引并联机器人静态平衡位置的正解研究

研究了一种大跨度但运动缓慢的索牵引并联机器人的位置正解问题,此时可认为系统处于静平衡状态,但必须考虑柔索垂度的影响。索牵引并联机器人的静态平衡位置的正解就是确定机器人末端执行器的位置和姿态,使得系统能在给定的柔索长度下处于静平衡状态。这涉及到系统的非线性力学分析而不仅仅是一个几何问题。本文采用悬链线方程描述柔索的力学特性,结合索端位移与机器人末端执行器位移之间的关系推导出机器人的末端执行器位移与索长变化之间的增量关系,据此提出一种迭代策略完成正解计算。数值算例验证了本文方法的有效性。

驱动链高速轴断裂所致FAST索牵引并联机器人的冲击振动仿真分析

介绍了FAST望远镜的巨型柔索牵引并联机器人的构型和工作方式。对FAST柔索牵引并联机器人的塔-索-舱柔性悬挂系统在某一套索驱动单元的电机高速轴发生断裂,卷筒上的低速轴安全制动器随即启动的极端工况所引发的卷筒溜索量和柔性悬挂系统的冲击振动力进行了有限元仿真分析;总的仿真分析可分为三步进行,即柔性悬挂系统的静力学找形分析、卷筒溜索量分析和基于溜索量-时程曲线的系统动力学仿真分析;与此同时,仿真中采用了模拟塔柔性的质量-弹簧振子模型、简化的安全制动器制动力时程曲线和模拟索驱动设备的绳索-质量滑块系统等简化模型。计算结果表明,因高速轴断裂引发的冲击造成了柔性悬挂系统的大幅震荡,需要在系统详细设计中认真考虑。

悬索驱动并联机器人的非线性PD控制研究

基于悬链线方程建立了大跨度悬索的索力与索端位移和索长之间的增量关系,同时推导出机器人末端执行器的位移偏差与悬索作用力增量之间的关系,据此构造出系统的动力学方程。采用李雅普诺夫法先对末端执行器上的合力设计反馈控制器,然后结合系统的动力学方程,构造出以索长调整量为控制输入时的非线性PD控制器。数值算例证明了控制算法的有效性。

基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析

现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同。为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵。然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧。于是便可将索牵引并联机器人等效为弹簧支撑并联机器人,从而利用现有的刚度分析结论即可完成大跨度索牵引机器人的刚度分析。最后,以大射电望远镜的索支撑系统为例研究了其刚度特性。

考虑柔索垂度影响的索支撑系统静刚度

大射电望远镜的索支撑系统由于工作空间巨大,刚度分析时必须考虑柔索垂度的影响。为此,基于弹性悬链线方程推导出柔索的索端张力与索长之间的关系,建立索支撑系统的静力学模型。在此基础上,根据索端张力与舱体位移之间的非线性关系推导出作用在舱体上的柔索合力与舱体位移之间的增量关系,从而获得系统静刚度矩阵的解析表达式。利用数值算例证明分析方法的正确性,在算例中给出索支撑系统在某点处的刚度矩阵及其在工作空间内的刚度分布。分析结果表明索支撑系统绕舱体中轴的转动刚度相对薄弱。

索支撑系统的动力学分析与跟踪控制

索牵引并联机器人中的柔索在做大范围运动的同时会伴随有低频振动。建立了此类柔索的动力学方程,得出柔索张力与索长之间的关系,在此基础上建立了索牵引并联机器人系统的较精确动力学模型。然后采用反馈线性化方法设计了轨迹跟踪的PID控制器,同时引入虚拟采样技术来弥补测量设备采样率较低的缺点。数值算例证明了所提方法的有效性。

索牵引弹体装填机器人的尺寸优化设计

针对海军大型武器的对接装填自动化需求,为提高装填安全性和效率,该文提出一种三索并联机器人,实现弹体自动化转运和装填,并完成了该三索并联机器人的尺寸优化设计方法研究。考虑索塔高度对于建造难度、重量及成本等影响,将参数优化设计分为全局搜索优化及局部搜索优化。全局搜索通过对所有设计参数进行采样搜索得到索塔高度为关键设计参数,基于悬臂梁位移公式得到索塔高度及直径相关性,从而建立索塔高度与索力变化率的无量纲优化函数,得到索塔及索径优化结果。在全局搜索优化结果基础上,以最大索力最小化为设计参数优化指标,得到所有设计参数的优化值,并最终得到平动轨迹上的索力变化曲线。设计方案、优化方法及参数优化结果可为后续海军弹体装填自动化设备提供参考和依据。

FAST索牵引并联机器人的动力学建模与仿真

500m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)中馈源支撑系统是一个巨型的索牵引并联机器人,钢索牵引动平台在数百米空间内运动,包含变长度柔性索的运动和动平台的刚体运动。该文以索牵引并联机器人为研究对象,首先,采用绝对节点坐标法建立变长度钢索单元模型,并以此为基础利用虚功原理建立变长度索单元的动力学方程组;其次,对刚性动平台进行动力学分析,利用钢索与动平台间的约束得到六索牵引并联机器人整体的动力学方程组,其中包含柔性索和动平台的自由度;最后,使用MATLAB对建立的动力学模型进行了数值计算及仿真,将所得的仿真数据与对应的FAST实际运行数据进行对比,验证了该模型的可行性。