繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間及運(yùn)動(dòng)控制分析.pdf

1、繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)由繩索全部或部分地代替?zhèn)鹘y(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的連桿而構(gòu)成，其兼具并聯(lián)結(jié)構(gòu)和繩索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，具有高精度、高負(fù)載、輕量化及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)。但由于繩索只能承受拉力而不能承受壓力，故對(duì)繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析時(shí)，必須同時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)和受力兩方面的約束，繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間不再只由繩長(zhǎng)決定，繩索驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中還要同時(shí)保證每根繩索都保持張緊狀態(tài)，所以在繩索長(zhǎng)度確定的空間內(nèi)的位姿點(diǎn)并不都能滿足繩索拉緊狀態(tài)，因此繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間得到了

2、限制。如果增加驅(qū)動(dòng)繩索，由于驅(qū)動(dòng)繩索數(shù)目越多，繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制就變得越復(fù)雜。如果在繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)中引入彈簧組成繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并選擇合適的彈簧參數(shù)和彈簧固定鉸接點(diǎn)位置，不僅可以實(shí)現(xiàn)繩索驅(qū)動(dòng)器與自由度數(shù)目相同的可控繩索彈簧機(jī)構(gòu)，同時(shí)可以在不改變驅(qū)動(dòng)繩索數(shù)目的情況下改善機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。因此有必要對(duì)繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究。
　　本論文從繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作性能出發(fā)，著重研究彈簧的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的

3、剛度、繩索拉力分布的影響。同時(shí)對(duì)繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)在重心偏移情況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制分析。本課題主要完成以下幾方面的工作：
　　(1)建立繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，求解出繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的力封閉工作空間，推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)剛度表達(dá)式和繩索拉力表達(dá)式，并計(jì)算出機(jī)構(gòu)在所求的力封閉工作空間內(nèi)的剛度分布以及在力封閉工作空間內(nèi)各位姿點(diǎn)上繩索的拉力。
　　(2)分析了彈簧固定鉸接點(diǎn)位置、初始長(zhǎng)度和剛度系數(shù)等彈簧參數(shù)對(duì)繩索拉力分布和結(jié)構(gòu)剛度的影響，分別

4、定義了繩索拉力分布指數(shù)和剛度分布指數(shù)，并將其作為評(píng)價(jià)工作空間性能的指標(biāo)，將滿足繩索拉力分布指數(shù)或剛度分布指數(shù)要求的位姿點(diǎn)組成的工作空間定義成可行工作空間。以同時(shí)滿足繩索拉力分布指數(shù)或剛度分布指數(shù)要求的可行工作空間最大化為目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)繩索彈簧機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　(3)在繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)中引入被動(dòng)導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)單元，即用沿直線軌道運(yùn)動(dòng)的滑塊代替彈簧支鏈的固定鉸接點(diǎn)，每個(gè)滑塊再通過(guò)兩根彈簧連接。研究被動(dòng)導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)單元對(duì)可行

5、工作空間工作性能的影響，通過(guò)對(duì)比加入被動(dòng)導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)單元對(duì)機(jī)構(gòu)的工作空間、剛度分布情況及繩索彈簧拉力分布情況等特性的影響，設(shè)計(jì)出合理的被動(dòng)導(dǎo)向偏轉(zhuǎn)單元的結(jié)構(gòu)。
　　(4)據(jù)繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別建立繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)在理想情況下的動(dòng)力學(xué)模型和考慮動(dòng)平臺(tái)重力、重心變化時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)考慮繩索彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)重心未知、時(shí)變偏移時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)出一種滿足H∞跟蹤性能的魯棒補(bǔ)償控制器，并建立這種魯棒補(bǔ)償控制下的運(yùn)動(dòng)控制模型，根據(jù)動(dòng)