3R3T六自由度绳牵引并联机构系统分析与运动控制

论文摘要

近年来,绳牵引并联机构逐渐成为国内外研究的热点之一,它有着广阔的应用领域,涉及到航空、军事、工业、科研等方方面面,在诸多领域都有着潜在的应用前景,如起重机器人、虚拟现实的力反馈装置和触觉装置、建筑机器人、大型运动仿真器、大型射电望远镜的馈源支撑系统、超高速机器人、超大工作空间的轻型机器人、风洞支撑系统、大型轮船舰艇制造和机械加工等。本文将用于低速风洞的绳牵引并联机构支撑系统作为研究对象,对3R3T六自由度绳牵引并联机构进行了机构设计、理论分析、动态仿真、原理样机搭建以及实例运动控制等方面的研究。文中对在所设计的3R3T六自由度绳牵引并联机构——WPDSS-8建立了数学模型;对其进行了运动学分析,包括位姿运动学正逆解、速度运动学正逆解以及加速度运动学正逆解;对位姿运动学的正解运用MATLAB优化工具箱进行了编程求解;还对WPDSS-8机构进行了静力学和动力学方面的分析,并对牵引绳的张紧力以及飞行器模型在WPDSS-8机构中的工作空间作了初步的探讨。论文在MATLAB环境下,对飞行器模型在几种不同的典型运动规律下的位姿、速度、加速度、以及牵引绳长度、速度、加速度的变化进行了仿真分析。为使研究结果的应用更具一般性,本文将该方法推广到飞行器模型在WPDSS-8机构中做螺旋线轨迹的3R3T六自由度的运动中,给出一系列相关参数的变化规律。经分析,研究获得的所有结果都符合物理意义,是科学合理的。这表明,本文的仿真分析方法是正确的,而且具有通用性。在理论分析和运动仿真的基础上,本文设计并搭建了WPDSS-8原理样机,建立了飞行器模型在原理样机中运动控制的软硬件平台,并进行了一系列的运动控制实验。运动控制实例与理论仿真结果相互印证,检验了理论分析的科学性和可行性。本文的研究为绳牵引并联机构在风洞试验中的应用打下理论及实践基础,并为绳牵引并联机构在其它领域的应用提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 绳牵引并联机构研究概况
• 1.2 本文研究的背景意义及主要内容
• 第二章 3R3T六自由度绳牵引并联机构的运动学分析
• 2.1 机构模型
• 2.2 运动学位姿逆解模型
• 2.2.1 基于动坐标系下的运动学位姿逆解模型
• 2.2.2 基于静坐标系下的运动学位姿逆解模型
• 2.3 运动学位姿正解问题
• 2.4 运动学速度及加速度的逆解问题
• 2.5 本章小结
• 第三章 3R3T六自由度绳牵引并联机构的静力学与运动分析
• 3.1 静力学分析
• 3.1.1 静力学数学模型
• 3.1.2 牵引绳拉力的计算
• 3.2 动力学分析
• 3.3 工作空间分析
• 3.3.1 可控工作空间分析
• 3.3.2 具有拉力条件的工作空间分析
• 3.3.3 具有刚度条件的工作空间分析
• 3.3.4 工作空间的求法
• 3.4 本章小结
• 第四章 飞行器模型运动仿真
• 4.1 转动自由度下的运动仿真
• 4.1.1 单转动自由度的绳长变化
• 4.1.2 组合转动自由度的绳长变化
• 4.2 飞行器模型运动轨迹规划
• 4.3 运动学正解运行结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 绳牵引并联机构设计与运动控制实验
• 5.1 WPDSS-8原理样机
• 5.1.1 原理样机机构设计
• 5.1.2 飞行器模型
• 5.2 运动控制卡
• 5.3 电机及驱动器
• 5.3.1 步进电机特性
• 5.3.2 步进电机驱动器
• 5.4 运动控制实验
• 5.4.1 运动控制实验内容
• 5.4.2 编程策略
• 5.4.3 误差分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 总结
• 6.1.1 总结
• 6.1.2 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文目录
• 致谢