柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人力學(xué)分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
本文關(guān)鍵詞:柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人力學(xué)分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià),由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
【摘要】:柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人家族中重要的組成部分,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,耗能低,控制容易,慣性小和移動(dòng)速度快,有更高的精度等優(yōu)點(diǎn)。因此,具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和重要的研究?jī)r(jià)值。但是由于其作為驅(qū)動(dòng)元件的繩索的柔性和單向約束特性,使得柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人較傳統(tǒng)的桿支撐并聯(lián)機(jī)器人有很多不同的特性。由于繩索的柔性特性,柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性成為對(duì)其研究的主要環(huán)節(jié),穩(wěn)定性對(duì)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的總體性能具有重要的影響。本文從傳統(tǒng)的剛性支撐的穩(wěn)定性出發(fā),結(jié)合柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人獨(dú)有的特點(diǎn),引申并總結(jié)出影響柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的主要因素,并進(jìn)一步提出評(píng)價(jià)其末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法,旨在為打破柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用中的重要瓶頸一由于繩索的柔性和約束不足導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。從傳統(tǒng)剛性支撐的穩(wěn)定性出發(fā),引申出柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定性的主要決定因素有二點(diǎn):“位置”因素,由于當(dāng)前位置點(diǎn)在工作空間所處的位置對(duì)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性具有重要的影響,因此柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定性中必須考慮位置因素的影響;“約束力”因素,同時(shí)當(dāng)前位置點(diǎn)處拉力最小繩索的索拉力對(duì)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性也具有重要的影響,因此柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定性中必須考慮約束最小的索拉力的影響。本文的研究圍繞國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:“高速柔索牽引攝像機(jī)機(jī)器人機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性研究(51175397)”的相關(guān)內(nèi)容,主要對(duì)此類柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了基于兩種模型下的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、最小索拉力在工作空間的分布研究、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析以及穩(wěn)定工作空間的求解研究,旨在為柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的性能提升和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)機(jī)器人作為柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的典型代表,比傳統(tǒng)的高空攝像方式有明顯的優(yōu)勢(shì)。但攝像機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性造成很大影響,且在實(shí)際運(yùn)行中易于受到氣象條件的干擾,需要一種符合其實(shí)際特點(diǎn)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法來(lái)衡量繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。本文的研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①綜合“位置”和“約束力”因素來(lái)分析柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性;②基于柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)解,提出了影響末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的位置性能因子,進(jìn)而研究了位置性能因子在全工作空間內(nèi)的分布情況;③基于柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的索拉力優(yōu)化解,提出影響末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的索拉力性能因子,進(jìn)而研究了索拉力性能因子在全工作空間內(nèi)的分布情況;④提出了符合一定穩(wěn)定度條件的穩(wěn)定工作空間的求解方法。完成的主要工作及取得的創(chuàng)新性研究成果歸納如下:1.定義了影響柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的“位置”因素,提出了影響末端運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的位置性能因子,分析了位置性能因子的影響參數(shù),進(jìn)一步給出了位置性能因子的解析表達(dá)式,并繪制了位置性能因子在工作空間不同區(qū)域所形成的等位曲線。針對(duì)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人繩索的懸鏈線特性,分析了結(jié)構(gòu)尺度以及末端執(zhí)行器與繩索總質(zhì)量比值對(duì)大跨度繩索懸鏈線形態(tài)的影響機(jī)制。從柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)解出發(fā),提出了影響末端運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的位置性能因子。以繩牽引攝像機(jī)器人為研究對(duì)象,對(duì)直線模型和懸鏈線模型下繩牽引攝像機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和位置性能因子進(jìn)行比較,從而為更準(zhǔn)確地衡量和評(píng)價(jià)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。2.闡述了影響柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的“約束力”因素,定義了當(dāng)前位置點(diǎn)處所有繩索的最小索拉力,提出了影響末端穩(wěn)定性的索拉力性能因子,剖析了索拉力性能因子的決定因素,給出了索拉力性能因子的隱函數(shù)表達(dá)式,并分析了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空間的分布情況;谇芳s束、完全約束和冗余約束柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線和懸鏈線兩種情況下的冗余索拉力求解模型,繪制了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空間的分布圖譜。針對(duì)必須把繩索建模為懸鏈線模型的完全和冗余約束柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人,建立了求解其索拉力的優(yōu)化模型,提出了一種以直線狀態(tài)下的索長(zhǎng)和張力為迭代初始值,以索的垂度不發(fā)生改變?yōu)榻K止條件的迭代算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)張力的優(yōu)化求解,為柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的力控制奠定了理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)比兩種模型下末端處于工作空間任一位置點(diǎn)處的索拉力、最小索拉力以及索拉力性能因子,表明對(duì)于大尺寸柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人,把大跨度繩索建模為懸鏈線形態(tài)的必要性。3.提出了柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人基于位置性能因子和索拉力性能因子的力位混合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及考慮末端運(yùn)動(dòng)速度的三位一體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性求解方法,分析了影響末端穩(wěn)定性的決定因素,并給出了力位混合的穩(wěn)定性因子的隱函數(shù)表達(dá)式,進(jìn)一步圖示了力位混合的穩(wěn)定度在工作空間不同區(qū)域的分布等位曲線。該力位混合穩(wěn)定性求解方法針對(duì)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人特有的柔性驅(qū)動(dòng)特性,結(jié)合了影響柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的主要影響因素,采用加權(quán)系數(shù)法,構(gòu)建了評(píng)價(jià)柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的解析方法。其采用區(qū)間(0,1]之間的數(shù)值來(lái)衡量柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定性,不同于傳統(tǒng)的對(duì)穩(wěn)定性的狀態(tài)只存在穩(wěn)定或者不穩(wěn)定兩種情況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),能夠較為靈活的獲取滿足一定穩(wěn)定度的柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定工作空間。并對(duì)兩種模型下柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比和分析,以便能夠?yàn)榇罂缍热嵝则?qū)動(dòng)的柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的求解方法提供理論依據(jù)和求解策略,進(jìn)一步打破制約柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展主要瓶頸。4.從力位混合穩(wěn)定性能求解方法和工作空間的定義出發(fā),提出了完全約束以及冗余約束柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定工作空間的定義,研究了其穩(wěn)定工作空間的存在條件及其求解方法。進(jìn)一步將柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人受到廣義外力擾動(dòng)后的工作空間與穩(wěn)定工作空間進(jìn)行比較,仿真結(jié)果表明采用力位混合穩(wěn)定性求解因子的合理性。
【關(guān)鍵詞】:柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人 最小索拉力 性能因子 穩(wěn)定性 工作空間
【學(xué)位授予單位】:西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號(hào)】:TP242
【目錄】:
- 摘要5-8
- ABSTRACT8-15
- 符號(hào)對(duì)照表15-17
- 縮略語(yǔ)對(duì)照表17-21
- 第一章 緒論21-39
- 1.1 研究背景和意義21-23
- 1.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀23-33
- 1.2.1 特點(diǎn)與分類23-24
- 1.2.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)24-30
- 1.2.3 研究現(xiàn)狀30-33
- 1.3 本文研究目的和意義33-35
- 1.4 本文的主要工作35-39
- 第二章 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析39-65
- 2.1 引言39-40
- 2.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的直線模型40-45
- 2.2.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型的位置分析41-43
- 2.2.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型的速度分析43-45
- 2.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的懸鏈線模型45-49
- 2.3.1 繩索的懸鏈線模型45-48
- 2.3.2 繩索懸鏈線模型的位置正解分析48-49
- 2.4 繩索直線與懸鏈線模型仿真分析49-60
- 2.4.1 仿真機(jī)構(gòu)描述49-51
- 2.4.2 結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)兩種模型差別的影響51-56
- 2.4.3 末端重量M對(duì)懸鏈線模型差別的影響56-60
- 2.5 繩牽引攝像機(jī)器人位置因子的分布60-64
- 2.6 本章小結(jié)64-65
- 第三章 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人最小索拉力分布研究65-91
- 3.1 引言65-66
- 3.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型最小索拉力分布66-72
- 3.2.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型的驅(qū)動(dòng)力求解模型66-68
- 3.2.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型冗余繩索張力優(yōu)化求解68-72
- 3.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人懸鏈線模型最小索拉力分布72-80
- 3.3.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人繩索的懸鏈線模型73-74
- 3.3.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人懸鏈線模型的驅(qū)動(dòng)力求解模型74-76
- 3.3.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人懸鏈線模型冗余繩索張力優(yōu)化求解76-79
- 3.3.4 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人索拉力性能因子79-80
- 3.4 攝像機(jī)器人的最小索拉力分布仿真80-89
- 3.4.1 攝像機(jī)器人簡(jiǎn)介80-81
- 3.4.2 直線模型最小索拉力分布仿真81-84
- 3.4.3 兩種模型最小索拉力分布對(duì)比分析84-89
- 3.5 本章小結(jié)89-91
- 第四章 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定性評(píng)價(jià)91-111
- 4.1 引言91-92
- 4.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)92-97
- 4.2.1 傳統(tǒng)剛性支撐約束的穩(wěn)定性92-93
- 4.2.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定性分析93-95
- 4.2.3 三種類別柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定性的比較95
- 4.2.4 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的穩(wěn)定性的影響因素95-97
- 4.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法97-100
- 4.4 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法100-101
- 4.5 仿真算例101-110
- 4.5.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人直線模型穩(wěn)定性仿真101-104
- 4.5.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人懸鏈線模型穩(wěn)定性仿真104-106
- 4.5.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性仿真106-109
- 4.5.4 力位混合穩(wěn)定度權(quán)因子影響仿真109-110
- 4.6 本章小結(jié)110-111
- 第五章 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定工作空間求解111-127
- 5.1 引言111-112
- 5.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定工作空間的定義112-117
- 5.2.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)平衡方程112-114
- 5.2.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定工作空間求解114-117
- 5.3 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定工作空間求解117-121
- 5.3.1 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人最小索拉力工作空間求解117-118
- 5.3.2 柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人穩(wěn)定工作空間求解118-121
- 5.4 數(shù)值仿真和討論121-126
- 5.4.1 繩牽引攝像機(jī)器人簡(jiǎn)介121-122
- 5.4.2 攝像機(jī)器人穩(wěn)定工作空間數(shù)值仿真122-124
- 5.4.3 攝像機(jī)器人最小索拉力工作空間數(shù)值仿真124-126
- 5.5 本章小結(jié)126-127
- 第六章 總結(jié)與展望127-133
- 6.1 本文主要工作和結(jié)論127-130
- 6.2 今后工作的展望130-133
- 參考文獻(xiàn)133-153
- 致謝153-155
- 作者簡(jiǎn)介155-156
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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條
1 劉善增;三自由度空間柔性并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2009年
2 李艷;二自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模及控制研究[D];山東大學(xué);2010年
3 李海虹;一種含柔性桿件的高速并聯(lián)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D];天津大學(xué);2009年
4 劉欣;兩種并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能分析與運(yùn)動(dòng)控制研究[D];西安電子科技大學(xué);2009年
5 李艷文;幾類空間并聯(lián)機(jī)器人的奇異研究[D];燕山大學(xué);2005年
6 張世輝;并聯(lián)機(jī)器人漢字雕刻技術(shù)的研究[D];燕山大學(xué);2005年
7 張耀欣;高性能平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年
8 劉瑋;一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六棱錐式并聯(lián)機(jī)器人研究[D];南京理工大學(xué);2012年
9 郭崇濱;并聯(lián)機(jī)器人多目標(biāo)協(xié)同智能控制研究[D];東華大學(xué);2013年
10 尚偉偉;平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制策略及其性能研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年
本文關(guān)鍵詞:柔索牽引并聯(lián)機(jī)器人力學(xué)分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià),,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號(hào):331695
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