柔索式紧耦合多机器人吊运系统建模和稳定性分析

摘要

柔索式多机器人吊运系统是并联机器人的一个重要分支，也是一种新型的多机器人系统，因此，柔索式多机器人吊运系统不但兼并了并联机器人和多机器人系统的特点，而且具有质量轻、惯性小、工作空间大和运动灵活等优点。这些特点决定了柔索式多机器人吊运系统其具有广泛的应用领域和重要的研究价值，由于柔索的柔性和单向约束特性，柔索式多机器人吊运系统和传统的刚性支撑并联机器人具有很多不同的特点，具有很大的理论研究意义和使用价值。
　　首先，针对考虑机器人末端和柔索连接点具更广义性的3个平移自由度情况的柔索式多机器人吊运系统，建立吊运系统的广义运动学模型，并分别利用旋量平衡方程和拉格朗日方程两种方法建立了吊运系统的动力学模型。对吊运系统的运动学解的问题进行了分类讨论，并针对运动学正、逆解分别给出了不同的解决办法;紧接着，针对存在多组解的情况给出了优化模型寻找最优解的方法。应用软件UG/ADAMS/MATLAB建立了吊运系统的联合控制仿真平台，通过实例仿真（包括联合控制仿真和数值计算仿真）验证了系统运动学和动力学模型，并说明了求解的方法。
　　然后，分别建立了机器人运动误差模型和柔索并联机构的运动误差模型，通过联立机器人运动误差模型和柔素并联机构的运动误差模型得到了吊运系统的包含误差源的综合运动误差模型;紧接着，对其误差源灵敏度进行了分析。通过实例计算仿真得到了各误差源的灵敏度，即各误差源对被吊运物运动误差的影响程度由高到低依次为各机器人关节角、机器人连杆的原始精度、柔索的长度和被吊运物和柔索连接结点的间距。为吊运系统的机械精度的选择和控制方法的要求提供了理论依据，以达到最大程度的提高吊运系统的运动精度。
　　随后，针对欠约束机构定位机构的静力学平衡工作空间和动力学工作空间进行研究，由于欠约束的原因，系统不能满足力旋量封闭条件，故用虚拟柔索法给出了该欠约束系统力旋量封闭的解决方案。在静力学平衡工作空间中，主要应用广义逆矩阵理给出了柔索拉力的表达式，并结合蒙特卡洛方法给出了静力学平衡工作空间的计算步骤;在动力学工作空间中，主要应用矩阵Moore-Penrose广义逆理论进行了分析，并采用结构矩阵条件数来衡量动力学工作空间质量的好坏，通过仿真计算得到了各影响因素对动力学工作空间的影响情况和三类吊运系统的动力学工作空间质量的关系。
　　紧接着，针对系统的特性，分别给出了不同情况下的稳定性定义，应用克拉索夫斯基法分析了吊运系统的静态稳定性，并给出了吊运系统静态稳定性的评价方法，通过实例仿真得到了三类系统的静态稳定程度以及三类系统的稳定性关系。分别提出基于柔索拉力变化率及比值方法和基于力位姿混合动态运动稳定性评价两种方法给出了吊运系统的动态运动稳定性的评价方法，并在后者的基础上，分别定义了吊运系统的稳定工作空间和抗干扰稳定工作空间，通过仿真计算得到了各影响因素对动力学工作空间稳定性的影响情况和影响规律，以及动力学工作空间不同部位的稳定性高低情况。
　　最后，在上述理论分析的基础上，搭建了满足实验要求的实体实验平台，并利用Visual Basic软件编写了吊运系统的上位机控制界面，进行了轨迹规划实验，进一步验证了模型的正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 柔索式多机器人吊运系统研究现状

1．3 本文的研究目的

1．4 本文的主要研究内容

2 柔索式多机器人吊运系统的运动学和动力学分析

2．1 引言

2．2 吊运系统运动学分析

2．3 吊运系统动力学分析

2．3．1 基于力旋量平衡方程的动力学模型

2．3．2 基于拉格朗日方程的动力学模型

2．4 运动学解的分类讨论及解决方法

2．4．1 正运动学问题

2．4．2 逆运动学问题

2．4．3 逆运动学解的分析及优化

2．5 实例仿真分析

2．5．1 正运动学数值仿真及验证

2．5．2 逆运动学数值仿真及验证

2．6 本章小结

3 柔索式多机器人吊运系统运动误差建模及灵敏度分析

3．1 引言

3．2 吊运系统运动误差建模

3．2．1 机器人误差模型

3．2．2 柔索并联机构误差模型

3．2．3 系统综合误差模型

3．3 误差灵敏度分析

3．4 实例仿真分析

3．5 本章小结

4 柔索式多机器人吊运系统工作空间分析

4．1 引言

4．2 吊运系统力旋量封闭分析

4．3 吊运系统静力学平衡工作空间

4．3．1 静力学平衡工作空间

4．3．2 静力学平衡工作空间分析与求解

4．3．3 实例仿真分析

4．4 吊运系统动力学工作空间

4．4．1 动力学工作空间

4．4．2 动力学工作空间分析与求解

4．4．3 吊运系统各因素对动力学工作空间的影响

4．4．4 动力学工作空间质量

4．4．5 实例仿真分析

4．5 本章小结

5 柔索式多机器人吊运系统运动稳定性分析

5．1 引言

5．2 吊运系统静态稳定性分析

5．2．1 静态稳定性定义和评价

5．2．2 静态稳定性仿真计算分析

5．3 基于柔索拉力变化率及比值方法的动态运动稳定性分析

5．3．1 基于柔索拉力变化率及比值方法的动态运动稳定性定义和评价

5．3．2 实例仿真分析

5．4 基于力位姿混合评价的动态运动稳定性分析

5．4．1 吊运系统性能因子

5．4．2 吊运系统力位姿混合动态运动稳定性定义和评价指标

5．4．3 基于稳定裕度的稳定工作空间求解

5．4．4 抗干扰稳定工作空间求解

5．4．5 实例仿真分析

5．5 本章小结

6 实验设计和分析

6．1 引言

6．2 实验方案

6．3 实验平台和实验原理

6．3．1 实验平台

6．3．2 实验原理

6．4 轨迹规划和实验验证分析

6．4．1 定柔索长度实验

6．4．2 柔索长度及机器人末端同时变化实验

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 本文创新点

7．3 今后工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果及参与科研项目