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空間攀爬機(jī)器人

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更新時間：2019-05-30
發(fā) 布人：rongxinglu

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文以一種基于delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間攀爬機(jī)器人為研究對象，對其位姿誤差進(jìn)行了分析，并對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。首先分析空間攀爬機(jī)器人的誤差主要來源于delta機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)了delta機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的正逆解，求解出delta機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間，并以此為基礎(chǔ)利用幾何空間向量法，建立了delta機(jī)器人關(guān)節(jié)處孔軸歪斜誤差模型，求解出delta機(jī)構(gòu)的位姿誤差，其計算結(jié)果表明其關(guān)節(jié)處的孔軸歪斜對于delta機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度具有較大的影響；然后根據(jù)空間攀爬機(jī)器人的功能需求，對機(jī)器人進(jìn)行了整體的尺寸規(guī)劃，之后求解了delta機(jī)構(gòu)雅可比矩陣的條件數(shù)，以此對delta機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動傳遞性能評估；綜合考慮delta機(jī)構(gòu)的位姿誤差和運(yùn)動傳遞性能，將其作為尺度綜合的兩個目標(biāo)函數(shù)，求出機(jī)器人最優(yōu)的尺寸組合。最后基于delta機(jī)構(gòu)的誤差來源，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上面的優(yōu)化。本文以一種基于delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間攀爬機(jī)器人為研究對象，對其位姿誤差進(jìn)行了分析，并對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。首先分析空間攀爬機(jī)器人的誤差主要來源于delta機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)了delta機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的正逆解，求解出delta機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間，并以此為基礎(chǔ)利用幾何空間向量法，建立了delta機(jī)器人關(guān)節(jié)處孔軸歪斜誤差模型，求解出delta機(jī)構(gòu)的位姿誤差，其計算結(jié)果表明其關(guān)節(jié)處的孔軸歪斜對于delta機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度具有較大的影響；然后根據(jù)空間攀爬機(jī)器人的功能需求，對機(jī)器人進(jìn)行了整體的尺寸規(guī)劃，之后求解了delta機(jī)構(gòu)雅可比矩陣的條件數(shù)，以此對delta機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動傳遞性能評估；綜合考慮delta機(jī)構(gòu)的位姿誤差和運(yùn)動傳遞性能，將其作為尺度綜合的兩個目標(biāo)函數(shù)，求出機(jī)器人最優(yōu)的尺寸組合。最后基于delta機(jī)構(gòu)的誤差來源，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上面的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞： Delta；并聯(lián)機(jī)構(gòu)；混聯(lián)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動學(xué)分析；路徑規(guī)劃；雅可比

ABSTRACT
In this paper, a space climbing robot based on Delta parallel mechanism is taken as the research object, its pose error is analyzed, and the structure and size of the robot are optimized. Firstly, the error of space climbing robot mainly comes from Delta mechanism. The forward and inverse kinematics solutions of delta mechanism are deduced, and the kinematics space of delta mechanism is solved. On this basis, the error model of hole axis skew at joint of delta robot is established by using geometric space vector method, and the pose error of delta mechanism is solved. The calculation results show that the skew pair of hole axis at joint of delta robot is skewed. The motion accuracy of the delta mechanism has a great influence; then, according to the functional requirements of the space climbing robot, the overall size planning of the robot is carried out, and then the Jacobian matrix condition number of the delta mechanism is solved to evaluate the motion transfer performance of the delta mechanism; the position and attitude errors and motion transfer performance of the delta mechanism are considered comprehensively, which are taken as the scale synthesis. Two objective functions are used to find the optimal size combination of the robot. Finally, based on the error sources of delta mechanism, the structure of delta mechanism is optimized.
Key words: Delta; Parallel Mechanism; Hybrid Mechanism; Kinematics Analysis; Path Planning; Jacobi

目錄
摘要
ABSTRACT 2
第 1 章緒論 1
1.1研究的背景與意義 1
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1空間攀爬機(jī)器人 1
1.2.2 delta發(fā)展概況 3
1.2.3 delta的位姿誤差分析 4
1.3 本文主要研究的問題 4
第2章空間攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 5
2.1運(yùn)行環(huán)境 5
2.2功能需求 6
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
第3章空間攀爬機(jī)器人的的位姿誤差分析 7
3.1中間串聯(lián)電機(jī)的影響 7
3.2 Delta的位姿誤差分析 9
3.3誤差模型的建立 12
第4章 3D空間攀爬機(jī)器人尺寸優(yōu)化 21
4.1 攀爬機(jī)器人的功能需求條件 22
4.2機(jī)器人的運(yùn)動傳遞性能與精確度 23
4.2.1 Delta機(jī)器人的運(yùn)動傳遞性能 23
4.2.2 Delta的精確度 27
4.2.3 以傳遞性能和精確度為目標(biāo)函數(shù)的尺寸優(yōu)化 27
4.3結(jié)果分析 30
第5章空間攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化 30
5.1 電機(jī)聯(lián)軸器 30
5.2 主動臂與從動臂的連接 31
5.3從動臂的平行四邊形結(jié)構(gòu) 32
5.4其他細(xì)節(jié) 33
5.5 軸、軸承、軸承孔的配合 33
第6章總結(jié)與展望 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄 37
附錄1主程序 37
附錄2 子程序 42
致謝 42

第 1 章緒論
1.1研究的背景與意義
隨著我國電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)建，輸電線路越來的越多，日積月累，輸電線路往往會由于各種的原因發(fā)生故障，因此輸電線路的巡檢已成為電力部門一項(xiàng)重要的工作。目前針對高壓輸電線的巡檢，國內(nèi)外都已展開了相應(yīng)的研究工作，也都相應(yīng)的取得了很大的成果，有些巡檢機(jī)器人也都開始投入使用，具有代表性的有日本的Expliner，加拿大的LineCout以及武漢大學(xué)的穿越障礙機(jī)器人，但目前這些機(jī)器人都只具有巡檢的功能，需要用人工輔助將機(jī)器人帶到鐵塔上面，巡檢結(jié)束后還需要人工將其取下，同時這些機(jī)器人都比較重，靠人力進(jìn)行上下線很不方便，且人進(jìn)行高壓線鐵塔攀爬容易發(fā)生高空墜落，具有很大的安全隱患，因此本實(shí)驗(yàn)室希望研究一種具有一定負(fù)載能力的鐵塔攀爬機(jī)器人，可以攜帶巡檢機(jī)器人到高壓線處，協(xié)助其進(jìn)行上下線，這樣有助于提高巡檢的效率，減少危險事故的發(fā)生。
用于鐵塔攀爬的機(jī)器人目前研究較多的多為串聯(lián)機(jī)器人，串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，其運(yùn)動學(xué)方程求解容易，控制方面難度也相對較低，對于串聯(lián)機(jī)器人的研究目前也相對比較成熟，但串聯(lián)機(jī)器人由于是各個關(guān)節(jié)連接起來，且一般在關(guān)節(jié)處用電機(jī)驅(qū)動，這就容易產(chǎn)生誤差的累積，無法實(shí)現(xiàn)高速高精度的運(yùn)動。并聯(lián)機(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，具有剛度大、承載能力強(qiáng)、精度高、自重負(fù)荷比小、動力性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，將串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人結(jié)合起來用于高壓線鐵塔的攀爬可以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢的互補(bǔ)。Delta 并聯(lián)機(jī)器人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，驅(qū)動部分均布于固定平臺，這些特點(diǎn)使它具有良好的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，因此，本實(shí)驗(yàn)室研究了一種基于delta機(jī)構(gòu)的雙足空間攀爬機(jī)器人。
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1空間攀爬機(jī)器人
國內(nèi)外學(xué)者對空間攀爬機(jī)器人也做出了較多的研究，但大部分都為串聯(lián)機(jī)器人，波士頓動力公司推出了Rise系列的機(jī)器人，該系列的靈感來源于蟑螂的攀爬，目前該系列共有三種，前兩種為6足結(jié)構(gòu)，第三種為四足結(jié)構(gòu)，其RiSE3的樣機(jī)如圖，RiSE3的足部具有很多的針保持身體平衡的尾巴，其向上攀爬的速度可以達(dá)到22厘米...

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