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。

绳牵引并联机构末端执行器运动轨迹精度评价方法

面向高动态运动目标模拟需求,设计一种平面4绳牵引2自由度并联机构,研究其末端执行器轨迹精度评价方法。基于末端执行器直线、抛物线和圆运动轨迹离散点测量数据,提出基于最小二乘法的轨迹误差计算方法,完成了末端执行器运动轨迹精度评价。研究结果表明:末端执行器直线运动轨迹误差为1.54%,抛物线运动轨迹误差为1.23%,圆运动轨迹误差为2.26%。

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。

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。

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.

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。

六自由度绳牵引并联机构的轨迹规划

建立所设计的六自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型后 ,提出 1种计算拉力的算法 .以动平台末端执行器能实现∞型的轨迹为目标 ,进行运动规划 ,研究绳的运动特性 .仿真结果表明 ,绳的速度值和加速度值 ,始终不大于动平台末端执行器的速度值和加速度值 .绳的加速度值和末端执行器的加速度值 ,同属 1个数量级 .同时 ,一些绳的拉力的变化不大 (处于“关”的状态 ) ;而另外一些绳的拉力的变化很大 (处于“开”的状态 ) .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以及控制系统的设计 ,提供依据 .文中提出的运动轨迹规划方法 。

绳牵引并联机构拉力分布优化

由于绳只能承受拉力,绳牵引并联机构必须采用冗余驱动。这种驱动冗余性导致无法平凡地求解各根绳的拉力值。而机构运动控制必须实时计算各根绳的拉力。为寻找绳拉力的优化解,必须研究绳拉力分布的优化问题。引入Verhoeven将绳拉力优化问题转换成一个在凸多面体上的非线性优化问题的研究方法,即将绳拉力的优化解表示成最低解和最高解的线性插值。由于优化解在某些情况下不连续,有必要将优化解做p-范数近似表达。探讨优化解的p-范数近似表达的实际算法,并对4根绳牵引的2自由度并联机构的最高解和最低解求解进行实例仿真。

绳牵引并联机构的工作空间优化

采用一种简单的绳拉力计算算法,提出比例系数、质量系数和全局质量系数来衡量工作空间的大小和形状。并针对1个CRPM和1个RRPM的3R3T绳牵引并联机构,比较其动平台处于同一主位姿时工作空间的大小和形状。结果表明:CRPM的平动工作空间比RRPM的大,而转动工作空间比RRPM的小;CRPM的转动工作空间的全局质量比RRPM的大,而平动工作空间的全局质量比RRPM的小。可见,可根据预定的工作空间的大小和形状,通过改变构型配置和机构尺寸来获得优化的构型。

6自由度含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间分析

为分析含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间特性,建立机构静力学模型,提出一种能直观反映绳牵引并联机构姿态空间大小的评价指标,以含2根弹簧支链的6索6自由度绳牵引并联机构为例,分析弹簧支链参数对机构工作空间性能和工作空间形状的影响。针对引入弹簧支链后出现的工作空间形状缺陷,建立缺陷部分混合位置因子-范围因子罚函数模型,并通过理想点法与遗传算法结合的方法实现了机构工作空间性能多目标优化。结果表明:通过罚函数法在优化中有效消除了可能出现的机构工作空间形状缺陷;含弹簧支链的绳牵引并联机构优化中选择适当弹簧参数,可以显著提高工作空间体积与动平台转动范围。

欠约束绳牵引并联机构刚度性能分析与优化设计

为了提高欠约束绳牵引并联机构的刚度性能,研究了一种以刚度为基础的优化方法。首先,通过静力学方程对机构进行受力分析,通过引入线矢量和微分变换公式推导出机构的静态刚度模型;其次,定义两个设计变量,以机构的工作空间、刚度的全域均值、刚度的全域波动性为优化目标,研究其变化规律;最后,使用理想点法对多个目标进行优化并对目标函数进行归一化处理,得到了最优的结构参数。

立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的系统仿真

给出所设计的立面一个转动两个平动(1R2T)三自由度绳牵引并联机构的模型.针对此机构模型,建立了运动学逆解模型;接着提出两种计算绳拉力的算法,并具体分析了其中一种算法.以末端执行器实现椭圆型的运动轨迹为目标,进行轨迹规划,研究绳的运动特性.采用Simlink仿真软件对该系统进行了一系列的仿真,包括:绳长变化、绳的速度、加速度变化以及绳的拉力变化.仿真结果表明:在所规划椭圆轨迹下,所有绳速度、加速度的变化是连续的;一些绳拉力的变化比较大,另一些绳拉力的变化比较小.提出的运动轨迹规划方法,具有通用性.

基于绳牵引并联机构的上肢康复机器人设计

人类的上肢为生活提供了诸多便利,健康的上肢是高质量生活的保证。上肢如果出现运动功能障碍就需要接受康复治疗。为了减轻康复师的工作强度,同时增强治疗效果,需要利用康复机器人代替康复师来进行康复训练。通过分析肘、肩关节的运动特性和规律,基于三自由度的冗余绳牵引并联机构设计了一款面向上肢康复的机器人。该机器人由定位模块和连接模块组成,可对不同尺寸的上肢进行主动和被动康复训练。由于机器人结构简单、易于装配、制造成本低,更容易被用户所接受。在结构设计完成后对该上肢康复机器人进行了运动学建模,同时进行了机器人奇异性的分析,为后续运动控制的研究做准备。最后,考虑到机器人的力传递性能和体积大小,采用多目标优化的方式对机器人进行了优化设计。仿真结果表明:优化设计有效地提升了机器人的相关性能。研究结果可为绳牵引并联机构在上肢康复机器人设计中的应用提供理论参考。

6自由度绳牵引并联机构的PD反馈控制方案设计

本文对六自由度绳牵引并联机构的控制方案进行研究,建立了其PD反馈控制规律;并对绳内力进行了线性化和解耦处理。文中综合非线性系统线性化理论以及绳牵引并联机构的线性化研究知识,应用实时测量的绳长和终端位置参数将内力矩阵化成一个线性回归矩阵和一个带有绳子和驱动器连接点参数的参数矩阵的乘积;并利用Lyapunov原理进行了闭环系统稳定性分析,实现了一类6自由度绳牵引并联机构的闭环反馈控制。

绳牵引并联机构的技术研究现状与应用进展

绳牵引并联机构是一类以柔性绳索代替刚性连杆为驱动元件的并联机器人,具有运动速度快、承载能力大、运动链惯性小、工作空间大及环境适应性好等优点,为工程问题的解决提供了新的思路和手段,近年来一直是国际并联机构领域的研究热点。介绍了绳牵引并联机构的特点,从物料搬运、天文观测、风洞试验、高速摄像、运动模拟、肢体康复、外科手术、三维打印等领域总结了绳牵引并联机构的技术研究现状和工程应用进展,探讨了绳牵引并联机构的发展趋势。

基于PSO的绳牵引式运动目标模拟机构工作空间优化

为满足运动目标的多种轨迹模拟需求,提出四绳索三自由度平面并联机构工作空间求解和参数优化方法。首先,分析机构的结构特点建立静力学模型,基于正交补方法求解定姿态下力旋量可行工作空间。然后,研究结构参数对机构工作空间大小的影响,采用改进权重粒子群算法进行优化。最后,比较分析优化前后的工作空间大小。实验结果表明,优化后机构构型的工作空间位姿点个数相较于优化前增加27.5%,可为机构工作空间优化提供新的解决方案。

6自由度绳牵引并联机构飞行器模型单自由度振荡运动的动力学分析

运用牛顿欧拉法对8根绳牵引的6自由度并联风洞支撑系统建立动力学模型。由于该绳牵引并联机构采用冗余驱动引入过约束,所建立的动力学模型是高度耦合的非线性系统。系统的这一特点使得其动力学模型对应的拉力值是多解的,动力学分析变得更为复杂。该文采用优化算法,运用MATLAB编程,着重对飞行器模型的单自由度振荡运动进行了仿真分析。作为算例,给出了模型做俯仰振荡运动时各绳拉力变化的计算仿真结果。分析工作表明该算法对所提出的6自由度绳牵引并联机构动力学模型寻求可行解的有效性;所得结果对该类绳牵引并联支撑系统的总体设计及其在风洞动导数试验中的应用具有一定的指导意义。

绳牵引并联机构末端执行器运动轨迹规划

针对传统插值法离散轨迹规划连续性差、运动参数突变的缺点,研究了一种改进多项式的末端执行器运动轨迹规划方法,通过优化末端执行器速度曲线,结合最小二乘法改善离散规划点之间的过渡过程,以提高运动的平滑性及连续性。基于联合仿真模型进行了仿真分析,并通过了试验验证,结果表明:采用改进多项式法优化后,直线电动机速度曲线平滑,启停次数减少了 50%,避免了频繁启停带来的冲击;末端执行器运动轨迹连续平滑,运行时间减少了约 20%。

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.

绳牵引并联机构中绳索张力解的实时性研究

针对冗余约束绳牵引并联机构绳索张力多解的问题,考虑绳索张力的上下限,基于牛顿欧拉方程和凸优化理论建立绳索张力优化分配的模型,利用非迭代的算法确定绳索张力解。并给出数值仿真案例,对比本文算法和传统优化算法的实时性。为绳牵引并联机构的实时力控制奠定基础。