一种绳牵引摄像机器人的运动控制策略与稳定性研究

绳牵引摄像机器人具有索单向受力、冗余驱动以及高速机动等特性,因而其稳定性问题的研究与解决是一个难题。现有的研究中,大多没有考虑摄像机器人的高速稳定运动特性及控制方法。为此,提出一种基于末端位置空间PD修正前馈控制规则保证摄像机器人的稳定运行。通过牛顿-欧拉法建立了末端执行器的动力学方程以及驱动系统的动力学模型;在此基础上得到了整个系统的动力学模型;在系统动力学模型的基础上,提出基于末端位置空间PD修正前馈控制规则的绳牵引摄像机器人跟踪控制策略,通过Lyapunov稳定性理论论证了控制策略的稳定性;通过数值算例说明了摄像机器人的稳定跟踪性能,并且验证了控制策略的有效性。     

考虑绳索质量和惯性力影响的绳牵引并联机器人

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。     

一种绳牵引并联机器人的时变势能场建模方法研究

针对目前绳牵引并联机器人时变势能场建模困难的问题，提出一种高精度时变势能场的建模解算方法。在绳索质量微分单元和绳索长度微分单元的基础上，通过有限元积分法建立绳牵引并联机器人势能场模型的积分表达式；通过结合绳牵引并联机器人悬链线模型高精度实时解析解和边界约束条件，对势能场模型的积分表达式进行求解，实现绳牵引并联机器人高精度时变势能场模型的解算。通过仿真测试，研究绳牵引并联机器人势能场模型的影响参数。研究结果为绳牵引并联机器人基于时变势能场的实时稳定性评价指标建立和稳定工作空间的构建提供参考。     

多模式绳牵引刚柔结合夹持器设计与分析

为了解决夹持器难以稳定夹持轮廓复杂的易损异形物体的问题，以提高夹持器的自适应性和保护抓取能力，设计了一种包括绳索驱动系统和柔性铰链结构的绳牵引刚柔结合夹持器。通过设计夹持器的绳索路径实现多种抓取模式之间的相互转换。在载荷平衡方程的基础上对两种抓取模式进行静力学建模，得到输入力与输出夹持力之间的力学模型，并通过数值仿真和物理试验验证力学模型的正确性与夹持器的抓取性能。最后，分别对不同几何形状和不同刚度的抓取目标进行抓取试验，验证了夹持器自适应保护抓取的能力。     

柔顺正交二级杠杆位移放大机构的设计与分析

设计位移放大机构是扩大压电叠堆驱动器输出位移，进而提升精密定位平台和微纳操作末端执行器工作空间的常见策略之一。对于柔顺位移放大机构，如何提高位移增益并使输出位移达到预期方向是其研究热点之一。鉴于此，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行了系统性设计与分析。首先，分析机构与压电叠堆驱动器的运动学特性要求，结合机构自由度分析与刚体替代法，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行系统性结构设计；然后，考虑柔顺铰链中点漂移与杆件变形，运用矢量多边形、卡氏第二定理与静力平衡方程，对机构位移增益进行静力学建模；进而，基于蒙特卡洛方法，对机构尺寸参数进行全局敏感性分析；最终，利用有限元仿真，对机构运动学综合、位移增益建模以及敏感性分析结果的有效性进行验证，并基于敏感性分析和有限元仿真结果，进一步设计了机构尺寸参数的制造公差等级。所提出的机构位移增益建模与敏感性分析方法无需使用输入输出位移正交的条件，可以推广应用于一般的柔顺多级杠杆位移放大机构。