柔索式緊耦合多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性分析.pdf

1、柔索式多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)是并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，也是一種新型的多機(jī)器人系統(tǒng)，因此，柔索式多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)不但兼并了并聯(lián)機(jī)器人和多機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)，而且具有質(zhì)量輕、慣性小、工作空間大和運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了柔索式多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和重要的研究?jī)r(jià)值，由于柔索的柔性和單向約束特性，柔索式多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的剛性支撐并聯(lián)機(jī)器人具有很多不同的特點(diǎn)，具有很大的理論研究意義和使用價(jià)值。
　　首先，針對(duì)考慮機(jī)器人末

2、端和柔索連接點(diǎn)具更廣義性的3個(gè)平移自由度情況的柔索式多機(jī)器人吊運(yùn)系統(tǒng)，建立吊運(yùn)系統(tǒng)的廣義運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并分別利用旋量平衡方程和拉格朗日方程兩種方法建立了吊運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)吊運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)解的問(wèn)題進(jìn)行了分類討論，并針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解分別給出了不同的解決辦法;緊接著，針對(duì)存在多組解的情況給出了優(yōu)化模型尋找最優(yōu)解的方法。應(yīng)用軟件UG/ADAMS/MATLAB建立了吊運(yùn)系統(tǒng)的聯(lián)合控制仿真平臺(tái)，通過(guò)實(shí)例仿真（包括聯(lián)合控制仿真和數(shù)值計(jì)算仿真）驗(yàn)

3、證了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并說(shuō)明了求解的方法。
　　然后，分別建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差模型和柔索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差模型，通過(guò)聯(lián)立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差模型和柔素并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差模型得到了吊運(yùn)系統(tǒng)的包含誤差源的綜合運(yùn)動(dòng)誤差模型;緊接著，對(duì)其誤差源靈敏度進(jìn)行了分析。通過(guò)實(shí)例計(jì)算仿真得到了各誤差源的靈敏度，即各誤差源對(duì)被吊運(yùn)物運(yùn)動(dòng)誤差的影響程度由高到低依次為各機(jī)器人關(guān)節(jié)角、機(jī)器人連桿的原始精度、柔索的長(zhǎng)度和被吊運(yùn)物和柔索連接結(jié)點(diǎn)的間距。為吊運(yùn)系

4、統(tǒng)的機(jī)械精度的選擇和控制方法的要求提供了理論依據(jù)，以達(dá)到最大程度的提高吊運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。
　　隨后，針對(duì)欠約束機(jī)構(gòu)定位機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)平衡工作空間和動(dòng)力學(xué)工作空間進(jìn)行研究，由于欠約束的原因，系統(tǒng)不能滿足力旋量封閉條件，故用虛擬柔索法給出了該欠約束系統(tǒng)力旋量封閉的解決方案。在靜力學(xué)平衡工作空間中，主要應(yīng)用廣義逆矩陣?yán)斫o出了柔索拉力的表達(dá)式，并結(jié)合蒙特卡洛方法給出了靜力學(xué)平衡工作空間的計(jì)算步驟;在動(dòng)力學(xué)工作空間中，主要應(yīng)用矩陣Moore

5、-Penrose廣義逆理論進(jìn)行了分析，并采用結(jié)構(gòu)矩陣條件數(shù)來(lái)衡量動(dòng)力學(xué)工作空間質(zhì)量的好壞，通過(guò)仿真計(jì)算得到了各影響因素對(duì)動(dòng)力學(xué)工作空間的影響情況和三類吊運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)工作空間質(zhì)量的關(guān)系。
　　緊接著，針對(duì)系統(tǒng)的特性，分別給出了不同情況下的穩(wěn)定性定義，應(yīng)用克拉索夫斯基法分析了吊運(yùn)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，并給出了吊運(yùn)系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)實(shí)例仿真得到了三類系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定程度以及三類系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)系。分別提出基于柔索拉力變化率及比值方

6、法和基于力位姿混合動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)兩種方法給出了吊運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，并在后者的基礎(chǔ)上，分別定義了吊運(yùn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作空間和抗干擾穩(wěn)定工作空間，通過(guò)仿真計(jì)算得到了各影響因素對(duì)動(dòng)力學(xué)工作空間穩(wěn)定性的影響情況和影響規(guī)律，以及動(dòng)力學(xué)工作空間不同部位的穩(wěn)定性高低情況。
　　最后，在上述理論分析的基礎(chǔ)上，搭建了滿足實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用Visual Basic軟件編寫了吊運(yùn)系統(tǒng)的上位機(jī)控制界面，進(jìn)行了軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一