绳索驱动并联机器人的静力学优化与机构设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster，SdegreeStaticOptimizationandMechanismDesignofCable-DrivenParalleIManipulators中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志

2、对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(年)作者

3、签名：签字日期：导师签名：签字日期：摘要绳索驱动并联机器人是通过绳索将动平台(或末端执行器)与静平台连接起来的并联机器人，它具有工作空间大、负载质量比高和易于模块化等特点。然而，绳索的单向力特性即只能承受拉力不能承受压力，也给绳索驱动并联机器人的运动控制带来了巨大挑战。为此，本论文从绳索驱动的特殊问题入手，对绳索驱动并联机器人的力封闭工作空间、力可行工作空间、绳索拉力最优分布和机械结构优化等问题进行了研究，主要内容可归纳如下：(1)力封闭条件是绳索拉力作用于动平台可产生任意力旋量。为提高绳索驱动并联机器

4、人力封闭工作空间的求解效率，基于矩阵零空间和线性矩阵不等式，提出了一种新的力封闭求解算法。新算法适用于欠约束、完全约束和冗余约束绳索驱动并联机器人，将所提出的算法与己有的力封闭工作空间求解算法进行了比较，验证了新算法的优越性。(2)考虑到力封闭工作空间的定义中对绳索拉力没有限制，进一步研究了绳索拉力有界的力可行工作空间，基于凸优化方法设计了力可行工作空间的求解算法，提出用于评价绳索驱动并联机器人可达方位力可行工作空间体积的方法。(3)针对完全约束和冗余约束绳索驱动并联机器人绳索拉力存在多解问题，提出一种

5、快速求解绳索拉力最优分布的方法，并与单纯形法的计算效率进行了对比。进一步，考虑绳索驱动并联机器人可重构特性，以可达方位力可行工作空间的体积为性能指标，采用分组坐标下降(groupedcoordinatedescent，GCD)算法对绳索驱动并联机器人的机构进行了优化，从而改善了绳索驱动并联机器人机械结构的性能。(4)在8根绳索驱动的6自由度并联机器人上进行了MATLAB仿真实验，从而验证了理论结果和算法性能。此外，在ADAMS中搭建了6自由度绳索驱动并联机器人平台，综合力可行、拉力分布和机械设计三部分内

6、容，实现了并联机器人的运动控制仿真。关键词：绳索驱动并联机器人工作空间力封闭力可行机构优化绳索拉力分布ADAMSAbstractABSTRACTCable-drivenparallelmanipulators(CDPMs)areclosed-loopmechanism，inwhichfixedandmovingplatformsareconnectedbycables．CDPMsprovidelargeworkspacepotentially,havehighpayload-to-weightradio

7、，andCanbeassembled／reassembledandreconfiguredeasily．However,cablescanonlyworkintension，i．e．cablesareunabletopushthemovingplatform，whichbringswithahugechallengeofthemotioncontrolforCDPMs．ThuswebeginourresearchwiththespecialproblemsofCDMPs．Inthisdissertafi

8、on．ourresearchincludeswrench．closureworkspace(wcw)，wrench-feasibleworkspace(WFW)，optimaltensiondistributionandmechanismsoptimizationofCDPM．Themainworkissummarizedasfollows：(1)TheWCWofCDPMsmeansasetofposeswherethecabletensi