多机器人并联绳牵引系统动力学建模及分析

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1、■；／ＩＩ？Ａ中图分类号：ＴＰ２４２．２密级：公开ＵＤＣ：号；本校编讀Ｗ交遺乂拿工程硕±学位论文论文题目：多机器人并联绳奉引系统动力学建模及分析：■Ｊ，Ｉ研究生姓名：李巍学号：０６１３００６６学校指导教师姓名：起志刚朱纪洪职称：教授＿企业指导教师姓名：田拼：教授级高工；．职称：机械工程申请学位工程领域名称论文提交日期２０１６．６．１论义答辩日期；２０１６．６．５；，？；＾＇．７Ｕ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工

2、作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰州巧通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名；签字曰期：＞／知月席曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰州巧通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰州《通大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁

3、盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：＾签字曰期：父《年＾月／《日签字曰親＞＾６月曰巧工程硕士学位论文多机器人并联绳牵引系统动力学建模及分析Dynamicmodelingandanalysisforparallelcable-drivensystemwithmulti-robots作者姓名：李巍工程领域：机械工程研究方向：多机器人技术和复杂系统建模学号：06130066校内导师：赵志刚朱纪洪企业导师：田耕完成日期：2016年4月兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity兰州交通大学工程硕士学位论文摘要多机器人系统

4、和绳牵引并联机器人是机器人领域两个前沿课题。由于多机器人系统具有能完成复杂任务、提高工作效率、分布式、经济性好、灵活性好等特点，近年来得到了快速发展。绳牵引并联机器人是由并联机器人发展而来的，因此，它不仅具有并联机器人的特点，如高刚度、高精度、灵活性好、承载能力强等特点；而且有绳索驱动的优点，如质量轻、构造简单、传动速率快和工作空间大等特点。它的诸多优点决定了它在许多领域都有应用价值。本文研究的系统是将多机器人系统和绳牵引并联机器人有机地结合起来，形成了一个具有前两者一些特点的新系统—多机器人并联绳牵引系统，构成了一个新的研究方向。因此，对其进行研究具有较大的理论意义和实用价值。首先，

5、对于多台机器人通过绳索协同牵引负载的并联系统，考虑了每个机器人与绳索的连接点具有任意移动的3个平动自由度的一般性情况。本文对此系统建立了广义性的运动学方程，并分别利用牛顿—欧拉方程和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。然后根据机器人、绳索、负载三者之间的关系，分成了三大类问题，从方程是否有解的角度，分别对各类问题下解的情况进行了分析。再从实际应用角度，讨论了各种情况下解的处理方法。对于无解或无穷解时，提出了解决方法。对于有解时，提出了舍去不符合设计要求的解的方法。如果还存在多组解，提出了一个寻找最优解的方法。最后举例仿真验证系统的运动学和动力学模型并说明了求解的方法。其次，对于多机器人

6、绳牵引负载的欠约束系统，由于不满足力封闭条件，同时方程组一般不相容，因此无法求出准确的工作空间。本文分成了静平衡工作空间和动力学工作空间两大类进行研究。对于静平衡工作空间，先建立了系统的静平衡方程，然后提出利用最小二乘法原理结合蒙特•卡罗方法，对负载低速或准静态运动时，能够快速求出其近似静平衡工作空间，并分别利用法方程和QR分解给出了绳拉力的表达式。在机器人的位置和负载的位姿不发生力旋量失效的情况下，其有唯一的最小二乘解。最后通过仿真验证了该方法的有效性，利用该方法可快捷地求出不同空间构型的欠约束绳牵引系统的静平衡工作空间。对于动力学工作空间，结合Farkas和Stiemke引理，将工

7、作空间的求解转换成了是否存在超平面的问题，最后结合蒙特•卡罗方法仿真验证了负载的加速度对动力学工作空间的影响不大。再次，开展了对绳拉力优化的研究。通过对系统运动学、动力学方程的分析，在逆问题中，将其转换成了非线性规划问题，通过求取最优解，可以得到满足要求的绳的最低解和最高解，而最优解是介于两者之间，通过线性插值来表示。在特殊情况中，采取-I-多机器人并联绳牵引系统动力学建模及分析利用最小二乘法可以得到唯一的最小二乘解，作为最优解近似判断是否满足