本文關(guān)鍵詞：柔索牽引并聯(lián)機器人力學(xué)分析及穩(wěn)定性評價，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：柔索牽引并聯(lián)機器人是并聯(lián)機器人家族中重要的組成部分,具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,耗能低,控制容易,慣性小和移動速度快,有更高的精度等優(yōu)點。因此,具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和重要的研究價值。但是由于其作為驅(qū)動元件的繩索的柔性和單向約束特性,使得柔索牽引并聯(lián)機器人較傳統(tǒng)的桿支撐并聯(lián)機器人有很多不同的特性。由于繩索的柔性特性,柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性成為對其研究的主要環(huán)節(jié),穩(wěn)定性對柔索牽引并聯(lián)機器人的總體性能具有重要的影響。本文從傳統(tǒng)的剛性支撐的穩(wěn)定性出發(fā),結(jié)合柔索牽引并聯(lián)機器人獨有的特點,引申并總結(jié)出影響柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性的主要因素,并進一步提出評價其末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性的評價方法,旨在為打破柔索牽引并聯(lián)機器人應(yīng)用中的重要瓶頸一由于繩索的柔性和約束不足導(dǎo)致的運動穩(wěn)定性問題。從傳統(tǒng)剛性支撐的穩(wěn)定性出發(fā),引申出柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性的主要決定因素有二點：“位置”因素,由于當(dāng)前位置點在工作空間所處的位置對柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性具有重要的影響,因此柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性中必須考慮位置因素的影響；“約束力”因素,同時當(dāng)前位置點處拉力最小繩索的索拉力對柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性也具有重要的影響,因此柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性中必須考慮約束最小的索拉力的影響。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機器人機動性與穩(wěn)定性研究(51175397)”的相關(guān)內(nèi)容,主要對此類柔索牽引并聯(lián)機器人進行了基于兩種模型下的運動學(xué)分析、最小索拉力在工作空間的分布研究、運動穩(wěn)定性分析以及穩(wěn)定工作空間的求解研究,旨在為柔索牽引并聯(lián)機器人的性能提升和實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。繩牽引并聯(lián)攝像機機器人作為柔索牽引并聯(lián)機器人的典型代表,比傳統(tǒng)的高空攝像方式有明顯的優(yōu)勢。但攝像機器人的高速運動會對其穩(wěn)定性造成很大影響,且在實際運行中易于受到氣象條件的干擾,需要一種符合其實際特點的穩(wěn)定性評價方法來衡量繩牽引并聯(lián)攝像機機器人運動的穩(wěn)定性。本文的研究內(nèi)容主要針對四個關(guān)鍵點：①綜合“位置”和“約束力”因素來分析柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性；②基于柔索牽引并聯(lián)機器人的運動學(xué)解,提出了影響末端執(zhí)行器運動穩(wěn)定性的位置性能因子,進而研究了位置性能因子在全工作空間內(nèi)的分布情況；③基于柔索牽引并聯(lián)機器人的索拉力優(yōu)化解,提出影響末端執(zhí)行器運動穩(wěn)定性的索拉力性能因子,進而研究了索拉力性能因子在全工作空間內(nèi)的分布情況；④提出了符合一定穩(wěn)定度條件的穩(wěn)定工作空間的求解方法。完成的主要工作及取得的創(chuàng)新性研究成果歸納如下：1.定義了影響柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性的“位置”因素,提出了影響末端運動穩(wěn)定的位置性能因子,分析了位置性能因子的影響參數(shù),進一步給出了位置性能因子的解析表達(dá)式,并繪制了位置性能因子在工作空間不同區(qū)域所形成的等位曲線。針對柔索牽引并聯(lián)機器人繩索的懸鏈線特性,分析了結(jié)構(gòu)尺度以及末端執(zhí)行器與繩索總質(zhì)量比值對大跨度繩索懸鏈線形態(tài)的影響機制。從柔索牽引并聯(lián)機器人的運動學(xué)解出發(fā),提出了影響末端運動穩(wěn)定的位置性能因子。以繩牽引攝像機器人為研究對象,對直線模型和懸鏈線模型下繩牽引攝像機器人的運動學(xué)和位置性能因子進行比較,從而為更準(zhǔn)確地衡量和評價柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。2.闡述了影響柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動的穩(wěn)定性的“約束力”因素,定義了當(dāng)前位置點處所有繩索的最小索拉力,提出了影響末端穩(wěn)定性的索拉力性能因子,剖析了索拉力性能因子的決定因素,給出了索拉力性能因子的隱函數(shù)表達(dá)式,并分析了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空間的分布情況�；谇芳s束、完全約束和冗余約束柔索牽引并聯(lián)機器人直線和懸鏈線兩種情況下的冗余索拉力求解模型,繪制了索拉力性能因子和最小索拉力在工作空間的分布圖譜。針對必須把繩索建模為懸鏈線模型的完全和冗余約束柔索牽引并聯(lián)機器人,建立了求解其索拉力的優(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,為柔索牽引并聯(lián)機器人的力控制奠定了理論基礎(chǔ)。通過對比兩種模型下末端處于工作空間任一位置點處的索拉力、最小索拉力以及索拉力性能因子,表明對于大尺寸柔索牽引并聯(lián)機器人,把大跨度繩索建模為懸鏈線形態(tài)的必要性。3.提出了柔索牽引并聯(lián)機器人基于位置性能因子和索拉力性能因子的力位混合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及考慮末端運動速度的三位一體運動穩(wěn)定性求解方法,分析了影響末端穩(wěn)定性的決定因素,并給出了力位混合的穩(wěn)定性因子的隱函數(shù)表達(dá)式,進一步圖示了力位混合的穩(wěn)定度在工作空間不同區(qū)域的分布等位曲線。該力位混合穩(wěn)定性求解方法針對柔索牽引并聯(lián)機器人特有的柔性驅(qū)動特性,結(jié)合了影響柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動穩(wěn)定性的主要影響因素,采用加權(quán)系數(shù)法,構(gòu)建了評價柔索牽引并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器運動穩(wěn)定性的解析方法。其采用區(qū)間(0,1]之間的數(shù)值來衡量柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性,不同于傳統(tǒng)的對穩(wěn)定性的狀態(tài)只存在穩(wěn)定或者不穩(wěn)定兩種情況的評價標(biāo)準(zhǔn),能夠較為靈活的獲取滿足一定穩(wěn)定度的柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定工作空間。并對兩種模型下柔索牽引并聯(lián)機器人末端運動的穩(wěn)定度進行對比和分析,以便能夠為大跨度柔性驅(qū)動的柔索牽引并聯(lián)機器人運動的穩(wěn)定性的求解方法提供理論依據(jù)和求解策略,進一步打破制約柔索牽引并聯(lián)機器人發(fā)展主要瓶頸。4.從力位混合穩(wěn)定性能求解方法和工作空間的定義出發(fā),提出了完全約束以及冗余約束柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定工作空間的定義,研究了其穩(wěn)定工作空間的存在條件及其求解方法。進一步將柔索牽引并聯(lián)機器人受到廣義外力擾動后的工作空間與穩(wěn)定工作空間進行比較,仿真結(jié)果表明采用力位混合穩(wěn)定性求解因子的合理性。
【關(guān)鍵詞】：柔索牽引并聯(lián)機器人 最小索拉力 性能因子 穩(wěn)定性 工作空間
【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】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 符號對照表15-17
• 縮略語對照表17-21
• 第一章 緒論21-39
• 1.1 研究背景和意義21-23
• 1.2 柔索牽引并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀23-33
• 1.2.1 特點與分類23-24
• 1.2.2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)24-30
• 1.2.3 研究現(xiàn)狀30-33
• 1.3 本文研究目的和意義33-35
• 1.4 本文的主要工作35-39
• 第二章 柔索牽引并聯(lián)機器人運動學(xué)分析39-65
• 2.1 引言39-40
• 2.2 柔索牽引并聯(lián)機器人的直線模型40-45
• 2.2.1 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型的位置分析41-43
• 2.2.2 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型的速度分析43-45
• 2.3 柔索牽引并聯(lián)機器人的懸鏈線模型45-49
• 2.3.1 繩索的懸鏈線模型45-48
• 2.3.2 繩索懸鏈線模型的位置正解分析48-49
• 2.4 繩索直線與懸鏈線模型仿真分析49-60
• 2.4.1 仿真機構(gòu)描述49-51
• 2.4.2 結(jié)構(gòu)尺寸對兩種模型差別的影響51-56
• 2.4.3 末端重量M對懸鏈線模型差別的影響56-60
• 2.5 繩牽引攝像機器人位置因子的分布60-64
• 2.6 本章小結(jié)64-65
• 第三章 柔索牽引并聯(lián)機器人最小索拉力分布研究65-91
• 3.1 引言65-66
• 3.2 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型最小索拉力分布66-72
• 3.2.1 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型的驅(qū)動力求解模型66-68
• 3.2.2 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型冗余繩索張力優(yōu)化求解68-72
• 3.3 柔索牽引并聯(lián)機器人懸鏈線模型最小索拉力分布72-80
• 3.3.1 柔索牽引并聯(lián)機器人繩索的懸鏈線模型73-74
• 3.3.2 柔索牽引并聯(lián)機器人懸鏈線模型的驅(qū)動力求解模型74-76
• 3.3.3 柔索牽引并聯(lián)機器人懸鏈線模型冗余繩索張力優(yōu)化求解76-79
• 3.3.4 柔索牽引并聯(lián)機器人索拉力性能因子79-80
• 3.4 攝像機器人的最小索拉力分布仿真80-89
• 3.4.1 攝像機器人簡介80-81
• 3.4.2 直線模型最小索拉力分布仿真81-84
• 3.4.3 兩種模型最小索拉力分布對比分析84-89
• 3.5 本章小結(jié)89-91
• 第四章 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性評價91-111
• 4.1 引言91-92
• 4.2 柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性評價92-97
• 4.2.1 傳統(tǒng)剛性支撐約束的穩(wěn)定性92-93
• 4.2.2 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性分析93-95
• 4.2.3 三種類別柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定性的比較95
• 4.2.4 柔索牽引并聯(lián)機器人的穩(wěn)定性的影響因素95-97
• 4.3 柔索牽引并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價方法97-100
• 4.4 柔索牽引并聯(lián)機器人的運動穩(wěn)定性評價方法100-101
• 4.5 仿真算例101-110
• 4.5.1 柔索牽引并聯(lián)機器人直線模型穩(wěn)定性仿真101-104
• 4.5.2 柔索牽引并聯(lián)機器人懸鏈線模型穩(wěn)定性仿真104-106
• 4.5.3 柔索牽引并聯(lián)機器人運動穩(wěn)定性仿真106-109
• 4.5.4 力位混合穩(wěn)定度權(quán)因子影響仿真109-110
• 4.6 本章小結(jié)110-111
• 第五章 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定工作空間求解111-127
• 5.1 引言111-112
• 5.2 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定工作空間的定義112-117
• 5.2.1 柔索牽引并聯(lián)機器人的動力學(xué)平衡方程112-114
• 5.2.2 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定工作空間求解114-117
• 5.3 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定工作空間求解117-121
• 5.3.1 柔索牽引并聯(lián)機器人最小索拉力工作空間求解117-118
• 5.3.2 柔索牽引并聯(lián)機器人穩(wěn)定工作空間求解118-121
• 5.4 數(shù)值仿真和討論121-126
• 5.4.1 繩牽引攝像機器人簡介121-122
• 5.4.2 攝像機器人穩(wěn)定工作空間數(shù)值仿真122-124
• 5.4.3 攝像機器人最小索拉力工作空間數(shù)值仿真124-126
• 5.5 本章小結(jié)126-127
• 第六章 總結(jié)與展望127-133
• 6.1 本文主要工作和結(jié)論127-130
• 6.2 今后工作的展望130-133
• 參考文獻(xiàn)133-153
• 致謝153-155
• 作者簡介155-156

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