纜索緊耦合多機(jī)器人建模與工作空間分析.pdf

1、隨著人類文明的進(jìn)步，社會(huì)科技的日新月異，人類對(duì)機(jī)器人的要求越來越高，單臺(tái)機(jī)器人無論從工作空間、動(dòng)力還是工作效率都無法滿足人類的需求，多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)已經(jīng)成為了一種趨勢。多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)用在惡劣工況下（如核輻射環(huán)境、地震救災(zāi)、空中或海底救援等）具有較大的實(shí)用價(jià)值。
　　本文以三臺(tái)工業(yè)機(jī)器人為例，擬從纜系式緊耦合多機(jī)器人系統(tǒng)模型和限定條件的數(shù)學(xué)描述出發(fā)，分析該類系統(tǒng)的獨(dú)特性。首先建立多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，找到系統(tǒng)的位移

2、約束、速度關(guān)系以及加速度方程，得到了從機(jī)器人關(guān)節(jié)角到吊運(yùn)重物的位姿之間的關(guān)系表達(dá)式，建立了機(jī)器人、繩索、吊運(yùn)重物的數(shù)學(xué)模型。在UG中建立機(jī)器人、繩索、重物的三維實(shí)體模型，將UG中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到 ADAMS中，在MATLAB中建立多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB控制ADAMS中多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)模型：從MATLAB中的數(shù)學(xué)模型中結(jié)算得出機(jī)器人的關(guān)節(jié)角控制信號(hào)，將機(jī)器人的關(guān)節(jié)角控制信號(hào)輸入到ADAMS中多機(jī)器人聯(lián)合吊

3、運(yùn)系統(tǒng)模型，控制ADAMS中多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)，將ADAMS中多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)重物位姿反饋到MATLAB中，完成閉環(huán)控制。建立多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)實(shí)體仿真模型：在上位機(jī)中建立多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，上位機(jī)將控制信號(hào)輸入到運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡將信號(hào)轉(zhuǎn)換輸入到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)，物體位姿傳感器將感應(yīng)到的重物位姿反饋到上位機(jī)中完成閉環(huán)的控制回路。對(duì)多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的可行域研究，系統(tǒng)的可行域就是

4、系統(tǒng)的工作空間，對(duì)于系統(tǒng)的整體研究有著重要的意義，在工業(yè)機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)角的范圍、機(jī)器人的參數(shù)、繩索長度、機(jī)器人空間布局、重物與繩索結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已設(shè)定的情況下，求解多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的位置可行域，可以先根據(jù)單個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，由蒙特-卡洛思想隨機(jī)取點(diǎn)機(jī)器人關(guān)節(jié)角的度數(shù)（在機(jī)器人關(guān)節(jié)角的可取范圍內(nèi)）得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)，多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)是已知三個(gè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)尋找吊運(yùn)重物的位置坐標(biāo)。在多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時(shí)，

5、建立了位移約束、速度關(guān)系、動(dòng)力學(xué)方程等關(guān)系，求解吊運(yùn)重物的坐標(biāo)時(shí)，可以聯(lián)立位移約束、速度關(guān)系方程式，假設(shè)吊運(yùn)重物的三個(gè)歐拉角為零，吊運(yùn)重物的處于靜止?fàn)顟B(tài)，速度、加速度都為零，可以解得吊運(yùn)重物的位置坐標(biāo)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，求解繩索受力，在吊運(yùn)過程中，繩索受力為力平衡、力均衡，對(duì)此時(shí)位置可行域進(jìn)行判斷，得到符合要求的可行域中的點(diǎn)。根據(jù)蒙特-卡洛思想，可以多次重復(fù)此過程，得到吊運(yùn)重物的位置可行域。設(shè)定工業(yè)機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)角的范圍，在給定機(jī)器人的參

6、數(shù)、繩索長度、機(jī)器人空間布局、重物與繩索結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，吊運(yùn)重物在空間某一點(diǎn)處的姿態(tài)可行域是一定的，可以得到系統(tǒng)位置工作空間中具體坐標(biāo)點(diǎn)的姿態(tài)工作空間。在工業(yè)機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)角的范圍、機(jī)器人的參數(shù)、繩索長度、機(jī)器人空間布局、重物與繩索結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已設(shè)定的情況下，求解多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)的姿態(tài)工作空間，可以先根據(jù)單個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，由蒙特-卡洛思想隨機(jī)取點(diǎn)機(jī)器人關(guān)節(jié)角的度數(shù)（在機(jī)器人關(guān)節(jié)角的可取范圍內(nèi)）得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)，在多機(jī)器人聯(lián)

7、合吊運(yùn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時(shí)，建立了位移約束、速度關(guān)系、動(dòng)力學(xué)方程等關(guān)系，求解吊運(yùn)重物姿態(tài)工作空間時(shí)，可以聯(lián)立位移約束、速度關(guān)系方程式，取定吊運(yùn)重物的空間坐標(biāo)，吊運(yùn)重物的處于靜止?fàn)顟B(tài)，速度、加速度都為零，可以解得吊運(yùn)重物的歐拉角。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，求解繩索受力，在吊運(yùn)過程中，繩索受力為力平衡、力均衡，對(duì)此時(shí)姿態(tài)可行域進(jìn)行判斷，得到符合要求的歐拉角。根據(jù)蒙特-卡洛思想，可以多次重復(fù)此過程，得到吊運(yùn)重物的姿態(tài)可行域。多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解

8、：系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)就是找到機(jī)器人關(guān)節(jié)角度變化與吊運(yùn)重物之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，由于多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)中的變量較多，為了解除系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的耦合情況，可以限制機(jī)器人末端執(zhí)行器走直線，限定機(jī)器人末端執(zhí)行器軌跡后，多機(jī)器人聯(lián)合吊運(yùn)系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以得到唯一解，為了得到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，可以將一般運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解，成為六個(gè)自由度的分運(yùn)動(dòng)，通過求解得到關(guān)于六個(gè)分運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。最后，可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的真確性。開展纜系式緊耦合多機(jī)器