吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)非光滑動力學(xué)行為及調(diào)平控制策略研究.pdf

1、吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)是立井施工過程中的重要設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行是提高立井施工效率，確保施工安全的關(guān)鍵。吊盤在升降過程中，由于穩(wěn)車運(yùn)行不同步、滾筒纏繩半徑的差異、吊盤質(zhì)心偏心等原因，造成吊盤經(jīng)常發(fā)生傾斜、碰壁甚至卡盤事故，也導(dǎo)致鋼絲繩張力分布不均，影響其整體使用壽命。從機(jī)器人學(xué)觀點(diǎn)看，吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)是一種長柔索驅(qū)動欠約束并聯(lián)機(jī)器人，國內(nèi)外關(guān)于此類機(jī)器人的研究仍處于探索階段，存在許多尚未解決的理論問題，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題是其中兩個最基本的問題。因此，

2、開展吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)研究，進(jìn)而提出吊盤姿態(tài)調(diào)平和鋼絲繩張力均衡的控制策略，對豐富和發(fā)展柔索并聯(lián)機(jī)器人理論具有重要理論價值，對提高立井施工效率、保障施工安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文針對吊盤運(yùn)行過程中發(fā)生傾斜和鋼絲繩張力分布不均的問題，采用理論建模、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，深入研究吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和調(diào)平控制策略，為吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的安全高效運(yùn)行提供理論支撐和技術(shù)解決方案。
　　首先，考慮鋼絲繩的質(zhì)

3、量、彈性以及松緊狀態(tài)，建立吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的前向運(yùn)動學(xué)模型，提出求解前向運(yùn)動學(xué)問題的遍歷算法；構(gòu)建吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的前向運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了運(yùn)動學(xué)模型的正確性和遍歷算法的有效性；基于運(yùn)動學(xué)模型和遍歷算法，研究吊盤質(zhì)心偏心和鋼絲繩長度變化對吊盤位姿和鋼絲繩張力分布的影響規(guī)律，進(jìn)而提出吊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則以及為實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)平和張力均衡的鋼絲繩長度調(diào)節(jié)準(zhǔn)則。
　　其次，提出集值張力定律用于完備地描述鋼絲繩的單向約束特性；考

4、慮鋼絲繩的動力學(xué)特性，建立吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的非光滑動力學(xué)模型；改進(jìn)了求解非光滑動力學(xué)模型的Moreau中點(diǎn)算法，得到了吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程中非光滑動力學(xué)行為；在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非光滑動力學(xué)模型的正確性和數(shù)值求解算法的有效性。
　　最后，分析并選擇吊盤調(diào)平控制策略；構(gòu)建吊盤穩(wěn)車機(jī)構(gòu)的逆向運(yùn)動學(xué)模型，基于吊盤位姿和鋼絲繩張力反饋，設(shè)計PID靜態(tài)調(diào)平和變速積分PID動態(tài)調(diào)平控制器；分析了吊盤姿態(tài)角和鋼絲繩長度差之間的模糊