一种绳驱动并联清洗机器人的控制策略研究

绳驱动并联清洗机器人可以有效地代替人工实现对外墙的清洗作业,但是由于其自身受到外界干扰较多,而且机器人的所有动作都要确保绳索处于张紧状态,因此与传统的并联机器人相比,研究绳驱动并联清洗机器人的运动控制问题更具有挑战性。考虑实际使用过程中系统受到的外力干扰问题,通过牛顿-欧拉法和拉格朗日方程建立包含绳索弹性的系统动力学模型;结合PD前馈控制和传统的PID控制,设计包含绳索张力优化算法的控制律,通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制算法的稳定性;通过数值分析验证了绳驱动并联清洗机器人在受到外力扰动时的理论跟踪性能,证明了该控制算法的有效性。

绳驱动并联清洗机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用至外墙清洗领域,并对清洗机器人的动力学建模及张力优化进行深入研究。首先,确定机器人的构型为完全约束绳驱动并联机器人,并建立了考虑绳索弹性的动力学模型;其次,针对该类型绳驱动并联机器人绳张力解不唯一问题,提出将相关力改进的最小方差作为优化目标对绳索张力进行优化。最后,通过Simulink-Adams进行联合仿真验证。结果表明,优化后的绳索张力光滑连续变化。系统开环的情况下,圆形轨迹最大误差均值为0.071 m,终点误差均值为5.15 mm;直线轨迹最大误差均值为9.25 mm,终点误差均值为3.5 mm。解决了完全约束绳驱动并联机器人绳索张力不唯一、不连续问题,并为控制策略研究提供理论依据。

模块化多关节绳驱动并联机器人设计

绳驱动并联机器人具有惯性低、容易调整、质量轻、出现损耗容易更换等优点,应用前景广泛。但是绳子的柔性特点造成其运动时所需的控制电机数量要大于其运动自由度的数量且执行机构刚度不够,这样造成控制困难,控制精度低、环境适应性差等问题。为了解决这些问题,需要降低电机数量和提升机器人的刚度,本文基于标准万向节铰链,通过刚柔结合原理,实现了并联机器人的少电机、模块化、多关节绳驱动,并通过求解其运动学和轨迹规划,使其末端能够实现圆形轨迹。

绳驱动并联机器人专利技术现状

为了明确绳驱动并联机器人在全球的发展历程和特点,本节针对该领域的全球专利文献进行发展趋势的分析,研究技术发展变化的情况,并对国内申请的发展现状进行了研究。绳驱动并联机器人的检索是基于数据库sipoabs,dwpi,cnabs分别进行的,考虑到同族申请的技术关联性,将有同族申请的多篇专利文献视为一件申请进行统计,并通过关键词进行查缺补漏,保证数据统计的准确性和完整性。

绳驱动并联吊装机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用于吊装领域,对运动学正解模型和绳索张力优化算法进行深入研究。首先,确定该吊装机器人为冗余约束绳驱动并联机器人,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,针对冗余约束绳驱动并联机器人的绳索张力不唯一、不连续问题,分别运用张紧力方法、非线性规划方法和改进二次规划方法对绳索张力进行优化,确定出最佳的张力优化算法。在此基础上,进一步求得此类型绳驱动并联机器人的工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证。仿真结果表明,相比于另外两种方法,采用改进二次规划方法求解的绳索张力优化解在张力上限和张力下限之间光滑连续变化,说明改进二次规划方法求解绳索张力的合理性和连续性。

绳驱动并联打磨机构模糊控制策略

船舶坞修作为维护和修复船舶结构的关键环节,在船舶行业中扮演着重要的角色。然而,目前船舶坞修时表面打磨过程依赖于传统的人工作业,存在着效率低、工时长、危险性高等问题。为此,提出了一种新型绳驱动式打磨机构,该机构采用四根绳索驱动打磨装置实现三自由度的运动。首先,通过拉格朗日法建立系统的动力学模型;然后在动力学模型的基础上提出了一种带有绳索张力优化项的Fuzzy-PID(proportional integral derivative)控制策略,该控制策略可以实现精确的轨迹跟踪并保证绳索处于张紧状态;最后,通过数值仿真验证所提控制策略的有效性。结果表明,和绳牵引并联机器人上常用的PID控制相比,所提控制策略控制精度提高25%,具有较高的控制精度和稳定性。本文提出的绳驱动式打磨机构及其控制策略可为大型结构件表面处理和精密制造等应用提供一定理论支持。

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.

三自由度绳驱动并联机器人运动学分析

本文提出了一种新型的三自由度绳驱动并联机器人,在阐述其结构特点的基础上,并对其运动学机构进行了分析,建立了该机构位置的正反解方程,进行了数值分析,为该类机器人机构的开发研究提供了一定的理论基础。

绳驱动并联机器人绳索拉力及工作空间求解方法研究

绳驱动并联机器人的驱动冗余性导致绳索拉力的求解复杂性、工作空间成为系统的重要指标。文中建立了机器人系统静力学和动力学的统一模型,对绳索拉力求解优化算法以及工作空间求解方法进行研究,通过MATLAB仿真求得了4根绳驱动康复机器人系统驱动绳索拉力和工作空间,验证了绳驱动并联机器人绳索拉力优化求解方法和工作空间计算方法的正确性。

一种绳驱动并联康复机器人空间安全墙分析及回归轨迹规划方法

在步态康复训练期间,偏瘫或中风患者容易发生肌肉痉挛,从而导致不能支撑自身而失去平衡,造成二次伤害。针对上述问题,设计了一种由8根绳索驱动的6自由度并联康复机器人,不仅能对患者进行步态训练,还能对患者实施有效的防跌倒保护。首先,对机器人构型进行描述,并利用封闭矢量四边形法建立其运动学模型;其次,结合绳索驱动的特性,依据静力学分析,提出一种机器人力控工作空间的概念及其求解方法。为了避免患者失去平衡后受到二次伤害,基于力控工作空间,进一步提出了一种空间轨迹安全墙,对患者可能会出现的待保护位形进行了分类,并分别研究了其回归安全墙内的空间轨迹路径规划方法。最后,选取了两类不同的待保护位形,研究其沿回归轨迹运动时绳索长度和绳索拉力的变化情况,验证了回归安全墙轨迹规划方法的有效性和合理性。

具有关节角反馈的绳驱动拟人臂机器人机构设计与张力分析

将绳驱动与并联机构技术应用于拟人臂机器人上,设计一种绳驱动的串并混联拟人臂机器人。其特点之一是在拟人臂的各个旋转关节安装有旋转编码器,采用关节角反馈的控制方法,提高了机构的控制精度。特点之二是通过刹车线结构的使用,实现了机构肩、肘、腕关节的完全解耦,并根据旋量理论,对肩、腕关节所使用的绳驱动球面并联机构进行弱耦合研究,简化了机构的运动学公式。讨论驱动绳索的张力变化关系,针对绳驱动机构的特点提出相应的混合控制策略,并且通过试验验证了机构的可行性和算法的有效性。

绳驱动拟人臂机器人回零算法分析

为解决绳驱动拟人臂机器人在运动过程中产生的误差累积问题以及确定断电后重启的位姿,介绍一种不依靠外部设备的回零方法,即仅依靠自身检测的传感信息和相应的算法实现自回零.针对三自由度的并联球关节的自动回零问题,结合绳驱动并联机器人的结构特点,系统采用增量式编码器与限位开关相结合作为回零检测装置;在此基础上,对机构的运动耦合性进行了分析,提出分三步实现机器人动平台的原点定位与自动回零方法,并通过解耦控制,实现每步回零运动只需主动控制一条驱动绳索;仿真与实验验证这种三步自动回零算法的可行性,能够灵活准确的使机器人回到初始状态.

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究.仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器人自重过大带来的负面影响.

一种混合式绳驱动机器人的运动学分析与仿真

基于人臂结构和绳驱动技术,提出一种混合式绳驱动拟人臂机器人的设计方案。将驱动电机布置在基座附近,通过绳索传递运动和力,能有效的提高机器人的运动性能。首先通过Pro/E建立了绳驱动拟人臂机器人的机构模型;然后采用POE以及改进的牛顿-拉夫逊数值迭代方法分析了机器人前向运动学、逆向运动学;在此基础上针对此特殊机构分别对肩关节和肘关节处进行了解耦分析;最后通过Matlab和Adams联合仿真实验,得到一条和预定轨迹相吻合的实际轨迹,从而证明了运动学算法的正确性,以及机构的可行性。

冗余约束绳驱并联机器人的张力分配研究

提出一种改进的二次规划方法求解冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配问题。建立一般冗余约束绳驱并联机器人运动学模型,对机构进行受力分析,得到一般冗余约束绳驱并联机器人的动力学方程。结合力封闭的思想,引入参考力的概念,改进传统的二次规划方法,得到了适用于冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配优化模型。以八绳六自由度绳驱并联机器人为例,利用MATLAB/Simulink/xPC工具进行实时仿真实验,实现该并联机器人在两种典型空间运动轨迹下的动态运行,分别运用改进的二次规划算法、传统二次规划算法和Closed-form算法求解绳索张力分配问题,比较3种张力分配算法的仿真结果,验证了改进的二次规划算法求解绳索张力分配的合理性。

绳驱动船舱清洗机器人动力学建模及鲁棒控制

由于船体表面形状不规则及海浪激励引起船舶运动,因此船舶清洗作业成为难点。为实现船舶高效、自动化清洗作业,该文提出一种变结构空间绳驱动清洗机器人。首先,采用Newton-Euler法建立包含船舶运动及多种外部扰动的动力学模型。通过流体仿真试验验证了水射流可喷射至作业面,并得到水枪反作用力。其次,考虑到海风对清洗作业的影响,采用风压投影法计算得到风扰力,并将风扰力与水枪反作用力共同作为扰动输入。再次,在动力学模型的基础上,为实现动基座激励下的高精度轨迹跟踪控制,提出了一种模糊自适应比例-积分(proportional-integral, PI)滑模控制器(fuzzy adaptive PI sliding mode controller, FAPI-SMC)。最后,采用Lyapunov理论证明了控制系统稳定,并通过仿真试验验证了FAPI-SMC有效。结果表明:在不同形式的波浪激励和作业场景下,FAPI-SMC的位置稳态误差为±0.02 m,角度稳态误差为±0.02°。与传统的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器相比,FAPI-SMC的最大误差减少6%,响应速度提升57%,稳态性能提升3%。该研究成果可为绳驱动机构的实船应用提供理论依据。

风洞试验绳牵引冗余并联机器人的刚度增强与运动控制

以一种应用于低速风洞试验的6自由度绳牵引冗余并联机器人为研究对象,解决飞行器模型在风荷作用下动态定位误差大、力学测量精度不高的问题。运用微分变换推导了该机器人的刚度解析表达式;分别建立了末端执行器和驱动系统的动力学模型;针对系统冗余驱动、强耦合和非线性的特点,设计了基于刚度增强准则的关节空间比例微分(PD)修正前馈控制器,实现了以提高飞行器升力方向、顺风向和俯仰转动方向刚度为目标的绳系张力优化分配。数值仿真算例表明,与基于张力极小准则的控制器相比,前者有效地提高了飞行器的动态定位精度。

考虑绳索质量和惯性力影响的绳牵引并联机器人动力学建模和张力优化求解

该文研究了高速大跨度冗余驱动绳牵引并联机器人的动力学建模和张力优化分布。首先,建立了基于有限元思想的绳索动力学模型;其次,推导了包含绳索动力学影响的绳牵引并联机器人的动力学方程;继而,以绳索张力方差最小为目标,得到了适用于冗余驱动绳牵引并联机器人的张力优化分布模型;进而,在优化模型的基础上,提出了一种以直线模型的索长和张力为迭代初始值,以绳索垂度不发生改变为终止条件的绳索张力迭代优化算法,实现了绳索张力的优化求解;最后,通过算例仿真说明了考虑绳索质量和惯性力影响的必要性,并且验证了算法的收敛性、有效性和合理性,为绳牵引并联机器人的力控制奠定了理论基础。