本文關(guān)鍵詞： 繩牽引并聯(lián)機(jī)器人 工作空間 繩索張力優(yōu)化分布 動力學(xué)建模 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計　出處：《西安電子科技大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：繩牽引并聯(lián)機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人家族中重要的組成部分,具有負(fù)重/質(zhì)量比高、工作空間大、響應(yīng)速度快和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),極大地拓展了并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的開發(fā)價值。工作空間是繩牽引并聯(lián)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其余研究都以工作空間為前提。工作空間的決定因素有二:“力”因素,保證機(jī)構(gòu)在平衡外力的同時保證繩索張力為正,是主要因素;“幾何”因素,保證機(jī)構(gòu)各部件不發(fā)生相互干涉,是次要因素�！傲Α币蛩氐谋举|(zhì)是繩的單向受力性,這又帶來了繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動冗余性,導(dǎo)致了張力求解的不確定性,需通過張力優(yōu)化分布得到唯一解。在通過繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的張力優(yōu)化分布進(jìn)行實時力控制時不僅要求張力可以實時解算,還要求張力力可以連續(xù)變化。然而以往對繩牽引并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行張力優(yōu)化分布時往往忽略了繩索的質(zhì)量和慣性力,這使其不適合于大跨度高速運(yùn)動的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu),需要在動力學(xué)建模過程中予以克服。結(jié)合大跨度、冗余驅(qū)動和高速運(yùn)動等特點(diǎn)的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人具有很大的運(yùn)動范圍和機(jī)動能力,是繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的一個新興發(fā)展方向,繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)機(jī)器人(以下簡稱攝像機(jī)器人)是這種機(jī)構(gòu)的典型代表。但攝像機(jī)器人的高速運(yùn)動會對其性能造成很大影響,且在實際運(yùn)行中易于受到氣象條件的干擾,需要一種符合其實際特點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計方法來提升其整體性能。本文的研究內(nèi)容主要針對四個關(guān)鍵點(diǎn):①綜合“力”和“幾何”因素來分析工作空間;②從“定量”的角度評價繩索張力求解的實時性和穩(wěn)定性;③建立起完整的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)模型;④提出符合攝像機(jī)器人特點(diǎn)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法。本文的研究圍繞國家自然科學(xué)基金項目:“高速柔索牽引攝像機(jī)機(jī)器人機(jī)動性與穩(wěn)定性研究(51175397)”的相關(guān)內(nèi)容,旨在為繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的性能提升和實際工程應(yīng)用提供研究基礎(chǔ),打破桎梏攝像機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的理論瓶頸,也將促使我國早日擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的攝像機(jī)器人,使我國的攝像機(jī)搭載技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。完成的主要工作和創(chuàng)新型成果歸納為以下四個部分:第一部分研究基于力旋量可行動力工作空間的干涉區(qū)域判定和求解。明確定義了干涉的三種分類,分析了每種干涉的形成成因,推導(dǎo)了三種干涉的數(shù)學(xué)判定條件。與力旋量可行動力工作空間的求解方法相結(jié)合提出了完備的干涉求解方法,揭示了干涉發(fā)生的本質(zhì)規(guī)律,為機(jī)構(gòu)避免干涉的發(fā)生奠定了理論基礎(chǔ)。第二部分研究繩索張力解算的實時性和連續(xù)性問題。明晰了繩索張力解算的連續(xù)性和實時性的定義,提出了衡量連續(xù)性和實時性的評價指標(biāo)。結(jié)合凸優(yōu)化理論、方程求根公式和多項式極值定理建立了適用于完全約束繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的繩索張力優(yōu)化分布算法。通過算例研究了不同張力優(yōu)化目標(biāo)的連續(xù)性和實時性的差異和特點(diǎn),為繩索張力優(yōu)化目標(biāo)選取提供了有益的參考。第三部分研究考慮繩索質(zhì)量和慣性力的繩索張力優(yōu)化分布。在將繩索上的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動分解為繩索所在鉛垂平面內(nèi)的軸向收放運(yùn)動和正交于鉛垂面的離面運(yùn)動的基礎(chǔ)上,通過有限元的思想建立了繩索質(zhì)點(diǎn)的動力學(xué)方程,再通過積分的“組裝”運(yùn)算得到了整根繩索的動力學(xué)方程。采用牛頓-歐拉法推導(dǎo)了包含繩索動力學(xué)影響的繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)方程,建立了適用于完全和冗余約束繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的張力優(yōu)化模型,提出了一種以直線狀態(tài)下的索長和張力為迭代初始值,以索的垂度不發(fā)生改變?yōu)榻K止條件的迭代算法實現(xiàn)了對張力的優(yōu)化求解,為繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的力控制奠定了理論基礎(chǔ)。第四部分研究攝像機(jī)器人的多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提升攝像機(jī)器人的整體性能。在分析攝像機(jī)器人實際工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合理想點(diǎn)法和罰函數(shù)法建立了綜合衡量繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)器人跟蹤拍攝能力、抗風(fēng)擾能力和繩索張力沖擊作用的多目標(biāo)優(yōu)化模型。針對標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法全局優(yōu)化搜索能力不強(qiáng)的缺點(diǎn),提出了具有更強(qiáng)的全局優(yōu)化搜索能力的改進(jìn)型遺傳算法——“基于種群信息熵的自適應(yīng)多島遺傳算法”(Adaptive Multi-island Genetic Algorithm based on Information Entropy of the Population,IEPAMGA)。該改進(jìn)型算法具有適應(yīng)度標(biāo)定、子種群劃分和根據(jù)種群信息熵自適應(yīng)改變交叉率和變異率三個改進(jìn)措施。采用IEPAMGA對攝像機(jī)器人的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解,得到了在滿足繩索張力上下限、最小拍攝任務(wù)空間體積和能量截斷頻率的前提下,具有更大的力旋量可行動力工作空間體積、更高的全局一階自然頻率和更小的繩索張力沖量和的設(shè)計參數(shù)。
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【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉欣;仇原鷹;盛英;;風(fēng)洞試驗繩牽引冗余并聯(lián)機(jī)器人的剛度增強(qiáng)與運(yùn)動控制[J];航空學(xué)報;2009年06期

2 蘇宇;仇原鷹;王龍;杜敬利;;高速繩牽引并聯(lián)攝像機(jī)器人冗余驅(qū)動力優(yōu)化求解[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報;2014年02期

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本文編號：1502640