缆索式紧耦合多机器人联合吊运系统物体力学分析

对缆索式紧耦合多机器人联合吊运系统中目标及物体进行了静力分析及动力分析,将物体的受力分成竖直分力与水平分力使物体的受力分析简单明了;运用遗传算法解决了多机器人吊运中的多解问题。     

多机器人联合吊运系统可行域分析与求解

针对多机器人共同吊运同一个物体形成闭运动链的协调系统,定义了系统的位置可行域和姿态可行域.在给定系统构型的基础上,根据位移约束、速度关系,建立了系统位置运动学模型和姿态运动学模型,并建立了系统的动力学模型.在得到物体位置和姿态的基础上,分析了系统的位置可行域和姿态可行域,并基于蒙特卡罗算法给出了系统位置可行域和姿态可行域的求解方法.在确定的参数条件下,数值计算得到了系统的位置可行域和姿态可行域.位置可行域和姿态可行域的求解为进一步研究系统的轨迹规划、路径跟踪、稳定性等问题奠定了基础.     

1R2T绳索牵引骨盆康复机器人动力学

运用影响系数方法对1R2T绳索牵引骨盆康复机器人的运动学进行了分析,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系,通过Matlab对骨盆步态中期望轨迹进行仿真,得到各根绳索加速度变化曲线;基于机器人力螺旋平衡方程,并利用牛顿欧拉法和达朗伯原理建立了机器人动力学模型.运用仿真方法对机器人逆动力学特性进行分析,得出绳索最小拉力阈值的设置对各根绳索拉力变化规律具有影响的结论.运用Matlab和Adams建立了机器人动力学模型,分别对是否考虑绳索刚度两种不同情况进行了联合仿真,结果证明所建模型的正确性,同时得出绳索最小拉力阈值和绳索刚度对系统运动性能的影响规律.     

绳索牵引康复机器人控制及仿真研究

康复机器人是典型的人机合作系统．人与机器人在同一物理空间,因此对机器人的柔顺性、安全性提出了严格要求．绳索驱动具有柔顺性好、占空间小、重量轻等特点,不会与人体产生刚性碰撞、冲击,非常适合于康复机器人的驱动控制．由于绳索的柔性使其只能承受拉力,其牵引构成冗余驱动系统,因此绳索位置伺服系统须引入力控制,保证工作时绳索具有一定的张力．针对康复训练机器人的人体骨盆控制问题,设计了基于绳索驱动的伺服控制系统,通过Matlab提供的sisotool进行PI和PD控制器的设计,并对张紧力、位置和二者之间的相互影响进行了仿真分析,证明了绳索驱动适合对骨盆规律的控制,并且可以在其他绳索牵引控制技术上得到应用和推广．     

绳驱动并联清洗机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用至外墙清洗领域,并对清洗机器人的动力学建模及张力优化进行深入研究。首先,确定机器人的构型为完全约束绳驱动并联机器人,并建立了考虑绳索弹性的动力学模型;其次,针对该类型绳驱动并联机器人绳张力解不唯一问题,提出将相关力改进的最小方差作为优化目标对绳索张力进行优化。最后,通过Simulink-Adams进行联合仿真验证。结果表明,优化后的绳索张力光滑连续变化。系统开环的情况下,圆形轨迹最大误差均值为0.071 m,终点误差均值为5.15 mm;直线轨迹最大误差均值为9.25 mm,终点误差均值为3.5 mm。解决了完全约束绳驱动并联机器人绳索张力不唯一、不连续问题,并为控制策略研究提供理论依据。     

绳索牵引自动水平调节机器人的设计

为解决装卸过程中贵重载荷的水平调节问题,在分析了现有调节技术和装置优缺点的基础上,设计了绳索牵引自动水平调节机器人完成倾角调节.介绍了绳索牵引自动水平调节机器人的总体结构设计,根据力平衡、力矩平衡以及几何约束条件推导了系统的二维模型,用相似的方法从2种不同思路分别建立了系统的三维模型,讨论了2模型各自的优缺点.简要说明了控制系统的相关问题(结构设计、原理)和系统基本工作流程,总结了机器人系统的主要特点.     

绳驱动并联吊装机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用于吊装领域,对运动学正解模型和绳索张力优化算法进行深入研究。首先,确定该吊装机器人为冗余约束绳驱动并联机器人,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,针对冗余约束绳驱动并联机器人的绳索张力不唯一、不连续问题,分别运用张紧力方法、非线性规划方法和改进二次规划方法对绳索张力进行优化,确定出最佳的张力优化算法。在此基础上,进一步求得此类型绳驱动并联机器人的工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证。仿真结果表明,相比于另外两种方法,采用改进二次规划方法求解的绳索张力优化解在张力上限和张力下限之间光滑连续变化,说明改进二次规划方法求解绳索张力的合理性和连续性。     

欠约束多机协调吊运系统动力学工作空间分析

针对多台吊机通过绳索协调吊运同一被吊运物形成的欠约束系统不满足力封闭条件而无法用矢量封闭原理求出其动力学工作空间的问题,利用牛顿-欧拉方程建立了系统的动力学数学模型,并利用Farkas和Stiemke引理将动力学工作空间的求解转换成是否存在超平面的问题.对该类欠约束系统动力学方程进行拆分,得到了动力学工作空间的求解方法.最后利用蒙特·卡罗方法进行了数值仿真,得到该类系统的动力学工作空间.仿真结果表明,被吊运物的加速度对动力学工作空间的影响不大.     

大跨度吊装机器人绳索张力及工作空间求解

针对大跨度吊装机器人的绳索存在悬链线效应的问题开展研究。首先,绳索为直线模型,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,绳索存在重力,大跨度绳索为悬链线模型,为了求解悬链线模型中的绳索张力,采用二次规划方法求解绳索张力优化解。在静力学方程基础上,求得吊装机器人的力可达工作空间和力封闭工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证,仿真结果表明,力可达工作空间小于力封闭工作空间。比较两种模型的绳长,第1根绳索的长度变化最大,绳索张力较小时,绳索自重不容忽略。     

混凝土结构多尺度建模界面连接方法

分别采用变形协调方法和力的平衡方法建立了混凝土单柱的多尺度模型,分析了混凝土柱在静力荷载下的内力分布特征及动力荷载下的变形性能,并对多尺度模型界面连接方式的合理性进行了分析.在此基础上,以某三层钢筋混凝土框架结构为例,分别建立了结构的实体模型、梁模型和力平衡界面连接下的多尺度模型;计算了多尺度模型的低周往复性能,并与试验结果进行对比,以验证力平衡界面连接方式在多尺度建模中的有效性.结果表明:在静力荷载作用下,运用力平衡方法处理界面连接较变形协调方法更符合实际受力情况;在动力荷载作用下,2种界面连接方式都是可行的.采用多尺度模型进行整体结构建模,既能可靠地实现结构整体受力行为的模拟,还能反映结构关键部位的受力性能,计算效率显著提高.     

基于静力学模型的系泊系统设计

通过对浮标、钢管、钢桶和锚链进行受力分析建立了系泊系统的平衡状态方程,解决了如何确定锚链的长度和重物球的质量使得钢桶的倾斜角度尽可能小的问题,提高了系统的工作效率。并在平衡状态方程下进行重物球质量优化建模,利用逐步逼近法,求出了在满足约束条件下重物球的最小重量。     

系泊系统的多目标优化模型

针对海上浮标系泊系统,基于机理分析和力学分析得到了给定锚链型号与链长、重物球质量、海域环境(风流与海流)等系统参数下,对于声纳钢桶倾角的影响规律。在此基础上对系统各个部分进行了受力分析,并由此建立静力学平衡方程。以理论水深与实际水深的差值为优化目标,以静力学平衡方程为约束条件建立了优化模型;调节重物球,建立以重物球质量、浮标的吃水深度、游动区域半径及钢桶的倾斜角度尽可能小为优化目标,以钢桶倾角、锚链与海床的夹角要求以及静力学平衡方程为约束条件建立了多目标优化模型。在给定的实际环境参数条件下,对系泊系统进行了计算设计。     

仿生柔性并联机器人的逆运动学与优化设计

提出一种绳索驱动的柔性仿人头颈并联机器人,其基座和动平台由3根绳索和1个压缩弹簧连接.采用压缩弹簧模拟人的颈椎作为并联机器人的支撑脊柱,以绳索模拟人颈部肌肉对机器人进行驱动控制.将作用在动平台上的外力等效为动平台中心的矢量力和力矩,基于力和力矩平衡条件,结合压缩弹簧侧向弯曲方程,解得机器人的逆运动学模型.为了使绳索驱动力最小,以绳子拉力的最小平均值和最小-最大值为优化目标,基于非线性最优化拟牛顿算法对绳索在基座及动平台上端点位置进行了优化设计.仿真结果验证了并联机构逆运动学模型和优化方法的正确性和可行性.     

球形机器人水下系泊状态水流干扰运动分析

为了使球形机器人能在复杂水域安全工作和利用能量,对其锚定状态下受水流干扰的运动规律进行分析.首先针对机器人的形体结构特点,应用线性波理论和Morision方程对流体载荷进行描述,并以机器人锚定系统方程为基础,引入波浪水动力、重摆扰动力和绳索弹性力项,建立了球形水下机器人锚定状态波流联合激励的动力学模型.然后在搭建的虚拟仿真验证系统中对机器人的位移、绳索拉力和重摆摆角进行仿真和验证,总结出绳索锚定角和拉力随流速增加呈非线性变化规律及机器人在波浪幅值影响下的波动特性,结合绳索张紧和松弛状态交替现象分析绳索拉力和重摆摆角异常波动原因.研究结果为球形机器人对流体波浪能的吸收和转化提供理论基础.     

基于双目视觉的机器人位姿标定技术研究

针对机器人位姿的测量,建立双目立体视觉传感器三坐标的数学模型。匹配相关的特征点,采用最小二乘法得到空间特征点的三维坐标。利用外部位姿线性方程的建立与求解确立机器人基坐标与工件坐标的矩阵关系。通过靶标法来确定机器人在某一位姿时工件坐标系和视觉传感器坐标系之间的齐次坐标变换矩阵的关系。实验结果显示,在没有噪声因素情况下,利用线性方法求解机器人外部位姿是可行的,能够满足系统精度要求。     

基于立体视觉的机器人位姿标定技术研究

针对机器人位姿的测量,建立双目立体视觉传感器三坐标的数学模型。匹配相关的特征点,采用最小二乘法得到空间特征点的三维坐标。利用外部位姿线性方程的建立与求解确立机器人基坐标与工件坐标的矩阵关系。通过靶标法来确定机器人在某一位姿时工件坐标系和视觉传感器坐标系之间的齐次坐标变换矩阵的关系。实验结果显示,在没有噪声因素情况下,利用线性方法求解机器人外部位姿是可行的,能够满足系统精度要求。     

紧耦合多直升机协同吊运系统的运动学分析与实现

针对多直升机协同吊运同一个物体形成的闭运动链协调系统预期运动实现的问题,分析了系统的空间布局,在保持系统基本结构参数不变的基础上,把空间问题转化为平面问题,求出系统的平移和偏航运动方程,再通过限定直升机末端的运动方向,利用力平衡方程、力矩平衡方程、余弦定理、矢量封闭原则求出系统的俯仰运动和侧摆运动方程.根据建立的运动方程,给定动平台的期望位置和姿态运动轨迹,从而确定各直升机末端的运动轨迹.最后,数值模拟仿真了系统的运动实现过程,同时搭建了多直升机吊运虚拟平台和实体平台,验证了所建运动方程的准确性.研究结果为进一步研究多直升机协调吊运系统的运动控制问题奠定了基础.     

基于刚柔耦合模型的泵车臂架动力学仿真与优化

为使混凝土泵车臂架系统的计算机仿真模型更好地体现实际情况,根据机器人运动学理论和拉格朗日方程,通过递推形式确定了混凝土泵车柔性臂架系统的动力学方程,并运用计算机联合仿真技术对混凝土泵车臂架系统进行柔性仿真,同时优化了臂架系统上的驱动力,结果显示不断改变铰点位置能明显降低变幅机构中油缸的最大受力数值.仿真结果表明,柔性臂架模型更符合实际情况,为混凝土泵车臂架改进设计和机器人化提供了理论依据.     

6自由度绳索牵引并联机器人的悬链线建模与动力学分析

针对6自由度大跨度绳索牵引并联机器人存在绳索悬链线效应的问题,分别建立了绳索的直线模型和绳索的悬链线模型,在此基础上推导了并联机器人的动力学模型,并对二者进行分析和比较.在绳索牵引并联机器人逆动力学的求解过程中,采用带约束的非线性优化方法作为求解工具来计算满足绳索单向力约束的绳索张力.仿真结果表明,考虑绳索的悬链线模型时,并联机器人逆动力学解得到的绳索末端张力与绳索的线性模型相比有很大的变化,故绳索悬链线效应不可忽略,动力学分析中必须加入绳索的悬链线模型.     

基于双目视觉原理的混联机器人初始点坐标研究

目的获取混联机器人加工初始点的三维坐标,并将坐标应用于机器人的自动对刀过程,提高对刀效率及加工精度.方法基于双目视觉原理进行了理论建模和实验分析,建立双目视觉系统的数学模型,推导出由图像像素坐标到三维坐标的坐标转换关系,利用MATLAB视觉工具箱进行摄像机的标定,并提取出被加工件上目标点的像素坐标,通过点的三维重建获得靶位目标点的三维坐标.结果经仿真与实验,精确获取了加工初始点的三维坐标,相对误差在3%以内.结论该方法应用于雕刻机器人自动对刀系统中,能降低人工对刀危险系数,提高了对刀效率和对刀精度.