大型造船门式绳牵引并联起重机器人的机构设计与运动学位置逆解分析

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1、第3O卷第4期华侨大学学报(自然科学版)Vo1．3ONo．42009年7月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Ju1．2009文章编号：1000—5013(2009)04—036605大型造船门式绳牵引并联起重机器人的机构设计与运动学位置逆解分析郑亚青(华侨大学机电及自动化学院，福建泉州362021)摘要：针对大型造船门式起重机存在的翻身作业不灵活、机械结构复杂等缺陷，将3根绳牵引的欠约束绳牵引并联机器人技术引入到对大型造船门式起重机的改造中，提出大型造船门式绳牵引并联起重机器人的概念．参照现有大型造船门式

2、起重机的基本参数，按照1：50的比例，对该机器人的机构参数进行配置，详细分析其广义运动学位置逆解问题并给出计算方法．实例仿真表明，该机器人能实现6自由度的吊运任务．关键词：欠约束；门式起重机；绳牵引；并联机器人’中图分类号：TH213．502．2；TH112文献标识码：A目前，国内造船模式趋向于大分段建造方式，其目的主要是为了缩短船坞(船台)的使用周期，提高船坞(船台)的利用率．在我国的船厂中，船坞(船台)侧配置的起重设备常见的是门座起重机．与传统门座起重机相比，大型造船门式起重机对船体分段的安装和运输具有明显的优势【，但它需要上小车和下小车配合实现船体

3、分段的翻身作业，机械结构复杂且船体分段的翻身作业轨迹灵活性不大_2．2O世纪9O年代初，各国学者开始将机器人技术引入到对起重机技术的研究中．1989年，美国国家标准技术研究所(NIST)开始了Robo—Crane项目的研究工作l6。j．1980年代末，Albus提出一种绳牵引的Stewart平台形式的起重机器人．该机器人由6根绳牵引一个动平台实现吊运任务l8j．1992年，日本的Arai提出了3根绳牵引的起重机器人lj．但以上的起重机器人形式都不合适门式起重机．1998年，德国的Ros—tock大学开始对带有串联子系统的3根绳牵引的门式起重机器人Cabl

4、eV进行研究，在机构学理论与运动控制技术方面的研究取得了一系列的成果口¨]．但其控制方案及检测系统还有待改善，且没有具体的产品，离实际应用还有一定距离．本文引入门式起重机器人系统CableV的概念l1引，提出大型造船门式绳牵引并联起重机器人的概念，对该机器人的机构参数进行配置，分析其运动学位置逆解问题．1机构设计1．1机构参数配置大型造船门式绳牵引并联起重机器人采用的机构类型，如图1所示．该机构为3根绳牵引的6自由度欠约束并联机构(IRPM3—3R3T，即3个转动自由度和3个平动自由度，而IRPM为不完全约束定位机构(IncompletelyRestra

5、inedParallelMechanism))和3个子系统组成．作为初始研究，为了简化，暂时不考虑大车行走机构，即支腿(刚性腿和柔性腿)和3根主梁(即小车的运行轨道)形成一个固定的机架．3套小车运行机构分别由交流伺服电机通过直线单元驱动，在各自的主梁上实现匀速运动．3根绳牵引的6自由度欠约束并联机构(IRPM3—3R3T)的驱动装置(交流伺服电机及绞盘等)固定在小车的车架上，吊具由3根缠绕在绞盘上的绳牵引实现6自由度的运动(3个平动和3个转动)．即使小车都不动，吊具也能实现6自由度的运动．在实际对船体分段的安装和运输时，收稿日期：2008—03—17通信

6、作者：郑亚青(1974一)，女，副教授，博士，主要从事绳牵引并联机构的研究．E-mail：yq__zheng@hqu．edu．cn．基金项目：国家自然科学基金资助项目(50805054)；国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(50910157)第4期郑亚青：大型造船门式绳牵引并联起重机器人的机构设计与运动学位置逆解分析3673台小车在各自的主梁上实现匀速运动，而牵引吊具的3根绳索根据吊运轨迹的需要进行伸缩实现长度的变化，从而使吊具按预期的轨迹进行运动．结合大型造船龙门起重机的基本参数，进行大型造船门式绳牵引并联起重机器人机构参数的配置(按照1：5O

7、的比例)：跨度为2．24m，净空高度为1．4m，支腿基距为0．56m，吊具的形状为等边三角形，边长为．小车和吊具的起升速度可以调整，吊具的吊运轨迹也可以灵活改变，比现有的大型造船龙门起重机优越．图1机构简图1．2驱动与控制原理Fig．1Sketchofthemechanism驱动3台小车和3个绞盘为6套交流伺服系统．绞盘由交流伺服电机直接驱动，i~IJ,车是由交流伺服电机通过直线单元而进行驱动的．6套交流伺服系统由多轴运动控制卡如PMAC卡进行控制的．2建模吊具在实际吊运中必须实现一定的轨迹，而实现6自由度的运动，其位姿无法直接由3根绳长来确定．所以，必

8、须研究机构系统的广义运动学位置逆解问题，来确定3根绳的长度及3台小车的位置．2．