混合驱动柔索并联机器人系统集成设计

混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。     

混合驱动柔索并联机器人自适应迭代学习控制

以一种兼容混合驱动机构与柔索并联机构特点的新型混合驱动柔索并联机器人为研究对象,对其动力学建模及轨迹跟踪控制进行了研究;应用Lagrange方法建立了混合驱动柔索并联机器人系统的动力学模型;针对具有非线性、时变特性以及带有可重复时变干扰的混合驱动柔索并联机器人动态系统模型,设计了一种控制增益随迭代次数变化的自适应迭代学习控制策略,并采用Lyapunov函数证明了该控制器的稳定性;数值仿真结果表明,在该控制器的作用下,混合驱动柔索并联机器人控制系统能够完成高精度跟踪期望轨迹,进一步验证了所建系统动态模型的正确性及控制策略的有效性。     

一种可缠绕混合驱动柔索并联机构可视化分析与仿真

针对常规混合驱动柔索并联机构不能缠绕且工作空间较小的问题,提出了一种可缠绕混合驱动柔索并联机构。首先,确定了此并联机构的虚拟样机结构;然后,对结构的动力学进行了整体分析,基于拉格朗日方程,建立了系统动力学模型;最后,结合具体实例,利用Simulink软件对机构的工作情况进行仿真。结果表明,可缠绕柔索并联机构设计合理,输入参量可以根据系统要求实时变化,并且能够得到足够大的工作空间,为可缠绕混合驱动柔索并联机构的进一步物理样机研究提供了理论依据。     

基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究

根据人体踝关节的运动特点和柔索驱动并联机构的优势,提出了一种新型柔索驱动的3自由度并联机构踝关节康复机器人。采用封闭矢量四边形法则,建立了该机构的逆向运动学模型,并根据踝关节康复运动规律,对柔索驱动机器人进行了运动学仿真,得出驱动柔索长度变化规律,柔索长度变化的连续性证明了该机构的可操作性。     

基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究

根据人体踝关节的运动特点和柔索驱动并联机构的优势,提出了一种新型柔索驱动的3自由度并联机构踝关节康复机器人。采用封闭矢量四边形法则,建立了该机构的逆向运动学模型,并根据踝关节康复运动规律,对柔索驱动机器人进行了运动学仿真,得出驱动柔索长度变化规律,柔索长度变化的连续性证明了该机构的可操作性。     

直立工作面柔索驱动检测机器人的设计研究

为解决电厂锅炉内壁、船体、玻璃幕墙外墙面等大型构件直立面检测维护的工程难题,研制了一种新型的过约束柔索驱动检测机器人。研究了不同的柔索驱动定位机构及构型的差异,并根据工程应用需要,总结了柔索驱动检测机器人所需具备的基本功能,据此选择了功能更易实现的过约束定位机构,然后进行了系统的构型设计和运动机构结构的设计。通过一定的合理简化,建立了系统运动分析模型和运动机构受力模型,根据力矢量及几何闭合条件,得出了柔索运动方程和静力平衡方程,求解出了柔索的运动参数和受力解析解。试制了样机并搭载CCD相机进行了相关的验证试验,实现了柔索驱动检测机器人的基本功能。     

柔索驱动并联机器人动力学建模与数值仿真

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为驱动元件,并结合了并联机构和柔索驱动的优点。500 m口径大射电望远镜(Five-hundred meter aperture spherical radio telescope, FAST)粗调系统通过6根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的6自由度运动,其工作特点与并联机器人类似,因此可被看作柔索驱动并联机器人。基于此,根据FAST 5 m缩比试验模型,首先应用悬链线解析表达式推导出柔索两端固定时索端拉力与索长之间的关系,用于求解特定长度的驱动柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力。其次,对该舱索系统进行逆运动学分析,采用拉格朗日方程建立柔索驱动并联机器人的逆动力学模型。最后,针对FAST 5 m缩比模型的设计方案进行动力学仿真,数值结果表明该动力学建模是合理的。     

基于内张力补偿的并联柔索机构控制系统的研究

在并联柔索机器人的控制方法的研究中,大多忽略柔索的弹性,而实际上柔索弹性对控制系统性能影响较大,尤其是并联柔索驱动机构。因此建立了应用于风洞试验的并联柔索机构的动力学模型,进行了控制系统分析与设计。提出了采用常值重力及内张力补偿设计冗余并联柔索机构控制系统调节器的算法,实现了动平台点到点的位置控制,基于电机转角位置反馈分析了该控制系统PD调节器的误差,验证了该控制系统的稳定性,为冗余并联柔索机构控制系统的分析与设计提供了理论依据。     

冗余并联柔索机器人变刚度控制的研究

在冗余并联柔索机器人的刚度研究中,大多忽略柔索的内张力,而实际上柔索内张力对系统刚度影响较大,尤其是并联柔索驱动机构。因此运用微分变换原理得到了冗余并联柔索机器人刚度矩阵的完整解析表达式,验证了冗余并联柔索机器人的刚度不仅与柔索刚度有关,还与柔索内张力有关。利用该刚度矩阵对冗余并联柔索机器人进行刚度规划,得到独立可控的柔索内张力期望值,并通过内张力控制实现冗余并联柔索机器人的变刚度控制,进行了仿真分析,验证了理论分析的结论。     

典型空间轨迹的张力优化算法研究

由于柔索驱动并联机构的驱动冗余性,使柔索张力求解的复杂性成为了系统的重要指标。首先建立柔索驱动并联机器人模型,同时对其进行静力学分析.其次,在一般线性规划算法的基础上,研究了两种张力优化算法并完成算法仿真.最后,以4柔索3自由度柔索驱动并联机器人为例,通过MATLAB平台实现该机器人在典型空间轨迹下的动态仿真,对比分析1-范数法和新型算法的仿真结果,观察动态柔索的张力分布变化,验证新型张力优化算法的高效性和正确性。     

Error modeling and sensitivity analysis of a hybrid-driven based cable parallel manipulator

This paper deals with the error modeling and sensitivity analysis of a hybrid-driven based cable parallel manipulator (HDCPM). The HDCPM has the advantages of both cable parallel manipulator and hybrid-driven planar five-bar mechanism. Kinematics analysis and error modeling are performed based on closed loop vector conditions and direct differential method. The error model derived for the proposed HDCPM has the ability to account for the original errors from kinematics parameters. In addition, the sensitivity analysis is also carried out to investigate the effects of 36 error sources of kinematics parameters on the end-effector of the HDCPM. A detailed example of the sensitivity of the end-effector's position coordinates for the HDCPM is presented in order to demonstrate the validity of the error modeling and sensitivity analysis developed.     

索网机构的理论建模与位置求解

索网机构是一种柔性的、并联的运动机构阵列,其运动复杂,耦合性强,需要进行机构分析。基于无向图对索网机构进行理论建模,利用邻接表在计算机中进行表示。将索简化为线性弹簧-直线副机构,基于力密度法建立索网机构中活动节点的平衡方程,并推广到整个索网机构。讨论平衡方程的求解方法,建立索网机构中驱动点位置与活动节点位置间对应关系的迭代公式,最后得出一种索网机构的位置分析方法。作为位置解耦算法,对500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)的30m模型编程进行索网机构建模与分析。计算结果与用Adams软件仿真结果一致,验证了这种索网机构的位置分析方法。该方法可用于FAST主动反射面面形控制算法,也可用于其他大型索网天线及空间展开天线面形的精调和控制。     

3-DOF索杆桁架式欠驱动机械手运动控制

索杆桁架式机械手是将绳轮传动系统和平行四边形机构结合而提出的一种新型欠驱动机械手。绳索驱动力同时驱动手指关节耦合运动,而手指关节运动又会直接改变绳拉力在各指节单元的驱动力分布,导致索杆桁架式欠驱动系统具有强非线性和运动耦合特点。针对该问题,利用虚功原理,将绳轮传动系统等效为耦合的关节驱动力矩,并建立3-DOF手指准静态运动学模型。根据手指最大运动空间约束条件,确定关节弹簧配置分布并开展手指准静态运动空间分析。采用拉格朗日方程法建立手指一般动力学方程,并转换为"A-P"型等效动力学模型。在此基础上,开展预变形阶段运动控制研究。通过仿真分析和样机试验验证所提分析方法和运动控制策略的有效性。     

一种具有施力功能的人体运动测量系统

基于丝线牵引和并联机构位姿求解,提出一种具有施力功能的人体运动参数测量系统。给出基于丝线牵引的人体运动测量系统的组成和基本原理,提出人体运动测量单元下平台三点布局的四种方案和上平台六点布局原则,建立人体运动测量单元的位姿求解模型,通过人体上肢运动仿真验证本测量方案的有效性。该研究不仅为人体运动参数测量提供了新方法,也为下一步的人体康复训练研究提供了条件。     

Optimal Design and Force Control of a Nine-Cable-Driven Parallel Mechanism for Lunar Takeoff Simulation

Traditional simulation methods are unable to meet the requirements of lunar takeo simulations, such as high force output precision, low cost, and repeated use. Considering that cable-driven parallel mechanisms have the advantages of high payload to weight ratio, potentially large workspace, and high-speed motion, these mechanisms have the potential to be used for lunar takeo simulations. Thus, this paper presents a parallel mechanism driven by nine cables. The purpose of this study is to optimize the dimensions of the cable-driven parallel mechanism to meet dynamic workspace requirements under cable tension constraints. The dynamic workspace requirements are derived from the kinematical function requests of the lunar takeo simulation equipment. Experimental design and response surface methods are adopted for building the surrogate mathematical model linking the optimal variables and the optimization indices. A set of dimensional parameters are determined by analyzing the surrogate mathematical model. The volume of the dynamic workspace increased by 46% after optimization. Besides, a force control method is proposed for calculating output vector and sinusoidal forces. A force control loop is introduced into the traditional position control loop to adjust the cable force precisely, while controlling the cable length. The e ectiveness of the proposed control method is verified through experiments. A 5% vector output accuracy and 12 Hz undulation force output can be realized. This paper proposes a cable-driven parallel mechanism which can be used for lunar takeo simulation.     

基于摆线运动规律的悬索并联机器人轨迹规划

六自由度绳索悬挂式并联机器人属于大柔性机械系统，为保证运动的平稳性，要求动平台的运动轨迹光滑连续，为此提出了基于摆线运动规律的笛卡儿空间连续轨迹规划方法，该方法计算简单，实时性好。利用该方法对直线轨迹、圆轨迹和过离散点轨迹进行了规划。运动学和动力学方程的计算结果表明，绳索的速度、加速度和拉力变化连续平缓，而且绳索拉力始终大于0，因此动平台运行过程中动态响应小，绳索张紧可靠。该方法适用于悬索机器人的轨迹规划，同样也适用于对运动平稳性要求较高的其它机器人系统。     

2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法

合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求,但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人,根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件,提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点,构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段,故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线,使得机器人在起始点和终止点的加速度为零,而中间若干点的加速度不为零,实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件,且加速度为简单的一次曲线,可以实现高速的点到点运动。     

Design and analysis of decoupled parallel mechanism with redundant actuator

This paper presents a redundantly actuated six degrees-of-freedom parallel kinematic mechanism with a partially decoupled architecture in its rotational motion. This mechanism is developed to eliminate kinematic complexity of original Eclipse-II known as a redundant parallel mechanism. Since the original Eclipse-II mechanism use kinematic redundancy of parallel mechanism to achieve an advantage in enlarging the workspace of the system, it needs a motion planning algorithm to choose the specific control inputs to determine the desired motion trajectory. This motion planning algorithm causes difficulty in achieving real-time control performance due to its structural complexity. However the redundant parallel mechanism presented in this paper is a redundant parallel mechanism with partially decoupled architecture in its rotational motion. Therefore modified Eclipse-II redundant parallel mechanism can realize effective real-time control performances and continuous 360-degree rotational motion in any direction of the moving platform with six degrees of freedom.