混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

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。     

可缠绕式混合驱动柔索并联机器人可靠性分析

根据可缠绕式混合驱动柔索并联机器人的机构组成及工作原理,将失效模式与影响分析法(FMEA)和引入模糊集理论的故障树分析法(FTA)应用到该机器人系统的可靠性研究中,分析了机器人各子系统中零部件所有可能的故障模式、故障原因以及故障模式对系统的影响,找出了系统中潜在的薄弱环节和关键的零部件,通过理论计算可以得到机器人系统的故障隶属函数表及总体失效概率,结果显示机器人控制子系统对系统可靠性影响要大于机器人本体子系统和机器人动力子系统。研究结果对提高可缠绕式混合驱动柔索并联机器人系统可靠性有一定的指导意义。     

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。     

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。     

3T柔索驱动并联空中拍摄云台设计、建模与分析

针对大空间范围内的拍摄需要,设计并制作了空间柔索驱动并联云台。为了研究大尺度系统中柔索的变形问题,建立了该三自由度柔索驱动并联云台运动学数学模型。采用Newton-Raphson迭代法对运动学正解问题进行求解,分析机构灵巧度的分布情况,并以此为依据,在工作空间内对目标轨迹进行规划。利用运动学反解,计算柔索的理想长度变化规律,利用悬链线方程计算柔索由于变形引起的长度变化,为系统控制提供理论依据。     

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。     

混合驱动腰部康复机器人机构设计及运动学分析

针对人体腰部的步态康复训练,设计了一种柔索气动肌肉混合驱动腰部康复机器人。通过对人体躯干在步态时运动状态的分析,确定康复机器人的基本功能要求。据此对康复机器人进行机械结构设计,使用双并联机构分别对人体腰部和下肢进行牵引驱动,并且采用柔性驱动,综合气动肌肉和柔索的驱动特点,不仅增加了康复机器人的适应性,还防止了受训人在训练过程中受到强迫性伤害。为验证机构的上述特点,使用封闭矢量环法计算了位姿逆解,并建立了速度雅可比矩阵。建立了考虑人体尺寸的康复机器人运动学模型和气动肌肉组件动力学模型,数值仿真得出步态时柔索、气动肌肉运动学性能以及气动肌肉组件力输出变化规律曲线,验证了机构的有效性。     

约束机构在柔索并联机器人设计中的应用

柔索并联机构是一类新型的机构 ,具有一些优于其他机构的特点 ,但因柔索特性的限制 ,可实现的运动形式较少。本文通过增加约束机构对运动平台运动进行限制 ,扩大了柔索并联机构的应用范围。文章提出约束机构的概念 ,讨论了约束机构的种类 ,并进行奇异位形的分析。     

大跨度柔索驱动并联机构逆动力学研究

运用集中质量法建立大跨度悬索的力学模型,并基于此模型研究了大射电望远镜中的大型柔索驱动并联机构(wire driven parallel robot,WDPR)的逆动力学问题。首先,确定大跨度悬索的三维收放的动态力学模型,并运用四阶龙格库塔法求解模型的运动控制方程组;接着,确定大跨度WDPR机构的逆动力学算法;最后,通过数值仿真验证WDPR逆动力学模型的合理性。     

柔索驱动并联加工机构的力学建模与分析

针对柔索驱动并联加工机构,着重分析了该系统的固有频率及动力学响应特性。构建了系统瞬态时在切削力作用下的振动模型,解算出系统的固有频率;研究了系统的切削力模型和该力作用下的系统响应问题,基于龙格库塔法对系统的受迫振动模型进行数值求解.最后通过数值算例验证了该算法的可行性,并通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)将时域响应转变为频域解,分析了动平台质量和重心位置参数对系统稳定性的影响。     

一种3自由度并联柔索驱动机器人的变刚度特性研究

以一种3自由度并联驱动机器人为研究对象,研究这种机器人的变刚度特性.从操作臂的静力学出发,对并联柔索驱动机器人的刚度进行了分析得到刚度公式.从得到的公式可以看出,操作臂的刚度不仅与各分支的刚度有关,与操作臂位姿有关,还与张紧柔索的张紧力有关.在机器人各分支上串联刚度较低的弹簧后做刚度实验,试验结果验证了对刚度理论分析所得的结论.     

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。     

可重构柔索并联机器人协同避障方法研究

针对可重构索驱动机器人自身结构与环境障碍物间高碰撞风险问题,设计了一种基于临界支撑线及多指抓握的可重构柔索机器人协同避障方法。通过简化环境障碍物与机器人结构得到一类可重构柔索机器人在复杂环境下的一般模型,在此模型基础上利用其结构的拓扑约束及障碍物间的临界支撑线求取机器人的无碰撞运动区域;通过凸包算法及凸包映射算法求取不同构型及障碍物分布下可重构柔索并联机器人的力封闭工作空间,并分析不同构型及障碍物分布对机器人无碰撞力封闭工作空间的影响;随后,通过优化算法求取指定运动轨迹上最优索分布;最后在重构索驱动机器人实验平台对所得优化结果进行验证。实验结果显示,所设计的可重构柔索机器人协同避障方法能有效避免重构索驱动机器人运动过程中的碰撞。     

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度。针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式。基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关。以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度。数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的。研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用。     

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度.针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式.基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关.以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度.数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的.研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用.     

一种6自由度柔索并联机器人的动力学研究

采用串联约束 /并联驱动的原理 ,通过加入约束机构 ,设计一种新型柔索驱动并联机器人。然而由于约束机构的引入 ,机器人的动力学分析变得更为复杂。在对机器人进行运动学分析的基础上 ,利用牛顿 欧拉法建立机器人动力学方程。仿真结果证明了该方法的有效性     

考虑柔索垂度影响的索牵引并联机器人跟踪控制

为考虑柔索垂度影响采用抛物线方程来描述大跨度柔索的构形,推导出索端张力与索端位移和索长变化之间的关系。基于柔索力学方程建立索牵引机器人的动力学模型,模型中作用在末端执行器上的柔索合力与柔索长度和末端执行器的位姿直接相关。为便于在控制设计中引入力学模型,对动力学方程进行线性展开,得到作用在末端执行器上的柔索合力增量与索长变化和末端执行器位移之间的关系。作用在末端执行器上的柔索合力可以表示为其期望值与相应的增量之和,该增量是由索长误差及末端执行器位姿误差引起的。控制设计时首先采用李雅普诺夫法针对柔索合力设计反馈控制器,然后利用前述的增量关系构造出基于末端执行器位姿反馈,以索长调整量为控制输出的非线性控制器。该控制器在本质上为一带补偿项的非线性PD控制,控制器参数可随系统状态的变化而自动调整。数值算例证明了控制算法的有效性。