平面索驅(qū)動并聯(lián)機器人擾動力主動施加策略研究

平面索驅(qū)動并聯(lián)機器人擾動力主動施加策略研究1研究背景2研究目標3文獻綜述24研究路線31研究背景研究背景|研究背景月面著陸與起飛擾動力模擬平面索驅(qū)動并聯(lián)機器人擾動力主動施加策略研究空間飛行器在起飛和著陸時受到羽流擾動力的影響工程技術(shù)需求：模擬空間飛行器起飛和著陸過程受到的擾動力火星風(fēng)對飛行器的著陸過程過程產(chǎn)生擾動[1-2]常規(guī)模擬方法：數(shù)值仿真、高空拋傘實驗、風(fēng)洞模擬[6]火星著陸過程擾動力模擬常規(guī)模擬方法：點火實驗火星風(fēng)擾有毒，成本高昂，危險系數(shù)大成本較高，實驗周期漫長設(shè)備成本較高，無法進行全尺寸模擬需要低成本，更加通用的擾動力施加方法41研究背景Gough-Stewart平臺模擬擾動力研究背景|研究背景平面索驅(qū)動并聯(lián)機器人擾動力主動施加策略研究主動施加空間6自由度的擾動力主要模擬空間衛(wèi)星微振[4]靜態(tài)情況下的擾動力模擬索驅(qū)動機器人和彈簧結(jié)構(gòu)施加平面2自由度的擾動力（1R1T）模擬火星風(fēng)擾對飛行器的影響[6-7]一種擾動力被動施加方法：無法模擬任意規(guī)律的擾動力索驅(qū)動機器人施加擾動力利用索驅(qū)動機器人實現(xiàn)擾動力主動施加1研究背景2研究目標3文獻綜述54研究路線62研究目標

|研究目標研究目標研究目標本課題主要內(nèi)容為搭建一套基于平面三索機器人的擾動力施加實驗平臺運動學(xué)和動力學(xué)模型分析工作空間實現(xiàn)一種索力分配算法設(shè)計和實現(xiàn)基于該構(gòu)型的擾動力施加控制方法提出擾動力施加的評價指標通過仿真和實驗對擾動力施加控制策略進行驗證和評價擾動力施加控制方法是準確施加擾動力的關(guān)鍵。正弦擾動力任意規(guī)律擾動力預(yù)期效果用于平面擾動力施加的索驅(qū)動機器人構(gòu)型重力加速度g目標輸出：繩索對動平臺的合力F1研究背景2研究目標3文獻綜述74研究路線83文獻綜述3.1運動學(xué)3.2動力學(xué)3.3索力分配算法3.4控制算法93索驅(qū)動機器人綜述

|運動學(xué)模型文獻綜述索驅(qū)動機器人運動學(xué)建模繩索彈性對于動態(tài)響應(yīng)要求較高的場合相對于繩索的軸向彈性，橫向彈性所引起的擾動可以忽略[22]本課題將繩索等效為剛度恒定的軸向彈簧[22]滑輪效應(yīng)滑輪的幾何形狀影響繩索方向和出索點位置Bruckmann在建立了考慮滑輪的運動學(xué)模型[16]滑輪對運動學(xué)模型精度的影響與滑輪的半徑有關(guān)，通常影響較小本課題中不考慮滑輪效應(yīng)的影響繩索垂度Korayam利用懸鏈線對繩索垂度進行建模[17]Gouttefarde利用拋物線簡化繩索垂度模型針對索長較長，繩索質(zhì)量無法忽略的情況[18]本課題中繩索垂度可以忽略不計將繩索簡化為出索點和索結(jié)點之間距離約束考慮靜平臺出索點，動平臺索結(jié)點，動平臺位姿和索長的幾何關(guān)系[14]矢量封閉方程

標準運動學(xué)模型繩索長度繩索方向向量索驅(qū)動機器人結(jié)構(gòu)矩陣103索驅(qū)動機器人綜述

|動力學(xué)模型文獻綜述索驅(qū)動機器人動力學(xué)建模電機電機輸入電流與輸出扭矩的關(guān)系對伺服電機，認為輸入電流與輸出扭矩成正比作動器的動力學(xué)電機轉(zhuǎn)子、減速器、滾筒（線軸）等構(gòu)成的索驅(qū)動單元以及滑輪的動力學(xué)將轉(zhuǎn)動慣量和阻尼向電機軸等效繩索彈性將繩索考慮為軸向的線性彈簧[22]主要針對于末端動平臺的動態(tài)響應(yīng)Euler-Newton方法Lagrange方法：適用于復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)建模方法動平臺的動力學(xué)加速度項繩索索力對動平臺的合力動平臺所受的其他外力科里奧利力及離心力項重力項113索驅(qū)動機器人綜述

|索力分配算法文獻綜述索力分配算法索力分配問題線性規(guī)劃二次規(guī)劃Verhoeven[19]以索力p范數(shù)為優(yōu)化目標，使用梯度下降求解：該方法保證索力連續(xù)隨p值的增大，求解區(qū)域趨近真實的索力邊界，但計算復(fù)雜度提高不保證實時性Pott

[20]提出了一種索力分配的閉式解：具有解析表達式求解距離相對于參考索力偏差二范數(shù)最小的索力解保證索力的連續(xù)，廣泛用于控制器設(shè)計中本課題計劃使用Pott等人所提出的閉式解索力分配算法索驅(qū)動機器人的運動學(xué)與力平衡耦合控制量為電機輸入電流，與電機扭矩和繩索索力相關(guān)索力分配算法索力分配問題的特點繩索只能施加拉力而不能施加推力，需要合理設(shè)置繩索索力保證不虛牽索力分布存在時通常為多解，根據(jù)優(yōu)化目標求解優(yōu)化問題得到特定解通常關(guān)注算法的實時性以及解的連續(xù)性123索驅(qū)動機器人綜述

|控制策略文獻綜述控制算法Khosravi等人提出一種PID控制器[24]基于位置反饋引入繩索內(nèi)力概念控制算法分類依據(jù)反饋量的類型進行分類基于位置的控制基于索長空間的控制基于任務(wù)空間的控制基于力的控制力位混合控制索長空間：電機編碼器任務(wù)空間：外部傳感器獲取動平臺位姿基于力的控制：力傳感器反饋Kraus等人的控制器[27]繩索彈性補償項作動器參數(shù)辨識，近似為二階環(huán)節(jié)提高了位置控制精度Kraus等人：力位混合控制器[28]思路1：使用基于繩索索長的控制器并對繩索彈性進行補償，控制動平臺位置思路2：使用基于繩索索力反饋的控制器，直接控制索力及繩索對動平臺的合力1研究背景2研究目標3文獻綜述134研究路線144研究路線與計劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索驅(qū)動機器人構(gòu)型平面三索機器人三條繩索的索結(jié)點為同一點，完全約束定位機構(gòu)模擬失重狀態(tài)下擾動力施加，豎直方向使用1條繩索對末端動平臺對重力進行完全卸載重力加速度g154研究路線與計劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索驅(qū)動機器人運動學(xué)與動力學(xué)動態(tài)響應(yīng)要求較為精確，考慮繩索彈性滑輪效應(yīng)和繩索垂度影響較小，予以忽略重力加速度g164研究路線與計劃已開展的工作：系統(tǒng)的運動學(xué)建模研究路線|已完成的工作記末端動平臺的位置為考慮幾何封閉方程計算得到繩索長度計算得到繩索長度計算得到繩索方向向量平面三索驅(qū)動機器人的運動學(xué)模型由于該機器人只有2個平動自由度，因此結(jié)構(gòu)矩陣簡化為174研究路線與計劃已開展的工作：系統(tǒng)的動力學(xué)建模研究路線|已完成的工作動平臺的動力學(xué)方程索驅(qū)動單元（作動器）的動力學(xué)方程繩索索長變化量與電機軸坐標的關(guān)系繩索索長變化量與電機軸坐標的關(guān)系Lagrangian函數(shù)Lagrangian方程系統(tǒng)的動力學(xué)方程184研究路線與計劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索力分配算法使用Pott等人所提出的閉式解方法算法計算復(fù)雜度低，滿足實時控制要求滿足索力連續(xù)擾動力施加控制算法分別基于索長空間和索力設(shè)計控制器非基于模型的控制器（PID，滑?？刂频龋崿F(xiàn)末端動平臺輸出：給定幅值、頻率和方向的正弦擾動力任意規(guī)律的擾動力正弦擾動力任意規(guī)律擾動力預(yù)期目標194研究路線與計劃已開展的工作：索力分配算法的MATLAB實現(xiàn)與測試研究路線|已完成的工作直線軌跡對應(yīng)的索力曲線直線軌跡圓軌跡對應(yīng)的索力曲線圓軌跡基于Pott提出的閉式解方法實現(xiàn)索力分配算法阿基米德螺旋線軌跡阿基米德螺旋線軌跡的索力曲線索力解為其中廣義逆寫作參考索力一般取為204研究路線與計劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖仿真分析MATLAB/Simulink實現(xiàn)該索驅(qū)動機器人的動力學(xué)模型控制器與索驅(qū)動機器人模型Simulink仿真實驗驗證利用索驅(qū)動單元搭建該平面三索驅(qū)動擾動力施加機器人實驗平臺IMU

測量末端動平臺的加速度，間接測量實際施加的擾動力，計算相對期望擾動力的偏差（幅值、方向、頻率）擾動力施加的評價指標依據(jù)擾動力施加的幅值、頻率和方向偏差情況評價擾動力的輸出效果計算末端動平臺與期望擾動力曲線的RMS誤差214研究路線與計劃研究計劃研究路線|研究計劃技術(shù)路線圖時間安排224參考文獻參考文獻參考文獻|參考文獻[1]

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