四索牵引摄像机器人的建模与动力学仿真分析

摘要

柔索牵引并联机器人由于具有承载能力强、工作空间大、响应速度快、模块化程度高等优点而得到广泛的应用，尤其适用于大型场馆的摄像工作。柔索牵引摄像机器人在做大范围空间运动过程中末端执行器随拍摄目标的瞬间变化而改变，这就对柔索牵引摄像机器人的运动及控制精度提出了更高的要求。因此，研究更为精确的柔索牵引摄像机器人动力学模型以及有效的控制方法具有重要的意义。本文在动力学理论分析的基础上对四索牵引摄像机器人进行了模型简化、索力优化分配、轨迹规划等研究工作，建立了能够反映柔索重量、弹性变形以及力传递特性的动力学模型，并采用力控制方式对模型进行了典型轨迹的仿真分析，探讨了影响运动与控制精度的主要因素。
　　首先，结合四索牵引摄像机器人系统的结构特点，简化了四索牵引摄像机器人的结构模型，建立了将柔索分别处理成直线和悬链线时的四索牵引摄像系统模型。对三自由度柔索牵引并联机器人的运动学进行分析，推导了在考虑柔索自重情况下的悬链线方程以及索长的求解公式，对不同模型下冗余索力的优化分配问题进行了研究，给出了不同模型下索力优化分配的求解建议；对四索牵引系统的运动轨迹进行了规划，给出了规划后的运动轨迹函数。
　　其次，概括了应用ADAMS软件对柔索结构进行建模的主要思想及方法，根据不同的建模方法建立了两索直线模型与悬链线模型，并进行了实例仿真验证。对比分析了不同柔索建模方法下两索模型的仿真控制结果，总结出采用弹簧质点模型模拟柔索既能保证末端平台的运动要求又能反映柔索的弹性变形及力传递特性，为后续四索模型的验证与动力学仿真奠定了基础。
　　最后，建立并验证了考虑柔索自身重量的空间四索牵引摄像机模型，采用力控制方式对所建模型进行空间典型轨迹的运动控制与分析，分别探讨了初始速度及加速度、控制时间间隔、滑轮偏转和柔索自重等因素对力控制下末端平台运动精度的影响，分析结果并提出了改善运动控制精度的建议。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

1.1 研究背景及意义

1.2 柔索牵引并联机器人的概况

1.3 柔索牵引并联机器人的研究现状

1.4 本文研究的主要工作

第二章 四索牵引系统运动学和动力学的数学建模与求解

2.1 引言

2.2 直线模型下运动学和动力学的数学建模与求解

2.3 悬链线模型下运动学和动力学的数学建模与求解

2.4 求解对比与分析

2.5 四索牵引系统的轨迹规划

2.6 本章小结

第三章 两索牵引系统动力学的软件建模与仿真

3.1 引言

3.2 ADAMS软件介绍

3.3 柔索结构的建模思想

3.4 直线模型下柔索结构的建模与实例验证

3.5 悬链线模型下柔索结构的建模与验证

3.6 本章小结

第四章 力控制下四索牵引系统动力学的软件建模与仿真

4.1 引言

4.2 力控制下直线模型的软件建模与仿真

4.3 力控制下悬链线模型的软件建模与仿真

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介