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绳索悬挂式并联机器人的研究
庄鹏
Subtype博士
Thesis Advisor崔向群 ; 姚正秋
2006-06
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline天文技术与方法
Keyword绳索悬挂式并联机器人 工作空间 抗外力扰动鲁棒性 轨迹规划 控 制
Abstract
地面天文望远镜的巨型化和高精度化对传统的起重设备提出了挑战,研制一种安装拆卸简单、操作方便、运行平稳、工作空间大、定位精度高、承载能力强、成本造价低的新型起重设备,是保证巨型望远镜能够顺利安装、调试、运行和维护的必备条件之一。悬索机器人的工作原理源自传统的并联机构,它采用柔性绳索代替刚性驱动杆,能够在6 个自由度上精确地控制动平台的位姿、速度和加速度,因此操作灵活、运行平稳、定位精度高,是取代传统起重设备的首选方案。但由于绳索的柔性特点,使得传统并联机构的许多理论和方法不能直接应用于悬索机器人,而且目前国内外对这类机器人尚未进行过全面系统的研究,因此取得的成果很少,设计参考资料不足,阻碍了这类机器人在生产实践中的推广应用。

本文首次提出了悬索机器人应用于巨型望远镜建造与维护的设计概念,并以机器人学的理论体系为架构,对这类机器人进行了深入的研究,主要内容包括:
⑴系统地介绍了并联机器人和悬索机器人的发展历史和研究现状,对本课题或其它相关课题的研究具有较高的参考价值;⑵利用刚体运动学原理推导了悬索机器人的雅可比矩阵,研究了位置、速度和加速度的正解和反解,采用数值迭代的方法解决了位置正解问题,得出了减少正解迭代次数以提高控制系统实时性的各项措施;⑶提出了工作空间的完整约束条件和基于运动旋量斜率的抗外力扰动鲁棒性的概念,分析了工作空间、鲁棒性以及灵巧度等性能指标与动、定平台的形状和动平台的姿态之间的关系,得出了悬索机器人的最佳实用构型;⑷提出了基于摆线运动规律的笛卡儿空间连续轨迹的规划方法,该方法利用摆线运动规律直接
确定每个过路径点的速度和加速度,因此计算简单,实时性好,规划的轨迹连续平滑,且起点和终点的速度和加速度均为0,适用于对运动平稳性要求较高的机器人系统;⑸建立了悬索机器人的动力学模型,通过分析和仿真发现,动平台的惯性项和重力项在悬索机器人动力学特性中占据主导地位,因此可以采用动平台的动力学模型来代替悬索机器人的动力学模型,从而简化了控制器的设计,有利于机器人的实时控制;⑹根据控制律分解原理设计了基于笛卡儿空间动力学模型的控制器,该控制器轨迹跟踪效果良好,能够有效地控制绳索的张紧力,使其变化均匀且不小于指定的最小值,保证了动平台运动和定位的稳定性、可靠性和准确性;⑺设计制作了实验样机,对机器人构型的可行性、动平台运动的协调性、逆运动学模型和轨迹规划方法的正确性进行了验证,为今后悬索机器人起重机的制造积累了有益的经验。

Subject Area天文技术与方法
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/166
Collection中国科学院南京天文光学技术研究所_学位论文
望远镜新技术研究室_学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
庄鹏. 绳索悬挂式并联机器人的研究[D]. 中国科学院研究生院,2006.
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