平面索驱动并联机器人扰动力主动施加策略研究

平面索驱动并联机器人扰动力主动施加策略研究1研究背景2研究目标3文献综述24研究路线31研究背景研究背景|研究背景月面着陆与起飞扰动力模拟平面索驱动并联机器人扰动力主动施加策略研究空间飞行器在起飞和着陆时受到羽流扰动力的影响工程技术需求：模拟空间飞行器起飞和着陆过程受到的扰动力火星风对飞行器的着陆过程过程产生扰动[1-2]常规模拟方法：数值仿真、高空抛伞实验、风洞模拟[6]火星着陆过程扰动力模拟常规模拟方法：点火实验火星风扰有毒，成本高昂，危险系数大成本较高，实验周期漫长设备成本较高，无法进行全尺寸模拟需要低成本，更加通用的扰动力施加方法41研究背景Gough-Stewart平台模拟扰动力研究背景|研究背景平面索驱动并联机器人扰动力主动施加策略研究主动施加空间6自由度的扰动力主要模拟空间卫星微振[4]静态情况下的扰动力模拟索驱动机器人和弹簧结构施加平面2自由度的扰动力（1R1T）模拟火星风扰对飞行器的影响[6-7]一种扰动力被动施加方法：无法模拟任意规律的扰动力索驱动机器人施加扰动力利用索驱动机器人实现扰动力主动施加1研究背景2研究目标3文献综述54研究路线62研究目标

|研究目标研究目标研究目标本课题主要内容为搭建一套基于平面三索机器人的扰动力施加实验平台运动学和动力学模型分析工作空间实现一种索力分配算法设计和实现基于该构型的扰动力施加控制方法提出扰动力施加的评价指标通过仿真和实验对扰动力施加控制策略进行验证和评价扰动力施加控制方法是准确施加扰动力的关键。正弦扰动力任意规律扰动力预期效果用于平面扰动力施加的索驱动机器人构型重力加速度g目标输出：绳索对动平台的合力F1研究背景2研究目标3文献综述74研究路线83文献综述3.1运动学3.2动力学3.3索力分配算法3.4控制算法93索驱动机器人综述

|运动学模型文献综述索驱动机器人运动学建模绳索弹性对于动态响应要求较高的场合相对于绳索的轴向弹性，横向弹性所引起的扰动可以忽略[22]本课题将绳索等效为刚度恒定的轴向弹簧[22]滑轮效应滑轮的几何形状影响绳索方向和出索点位置Bruckmann在建立了考虑滑轮的运动学模型[16]滑轮对运动学模型精度的影响与滑轮的半径有关，通常影响较小本课题中不考虑滑轮效应的影响绳索垂度Korayam利用悬链线对绳索垂度进行建模[17]Gouttefarde利用抛物线简化绳索垂度模型针对索长较长，绳索质量无法忽略的情况[18]本课题中绳索垂度可以忽略不计将绳索简化为出索点和索结点之间距离约束考虑静平台出索点，动平台索结点，动平台位姿和索长的几何关系[14]矢量封闭方程

标准运动学模型绳索长度绳索方向向量索驱动机器人结构矩阵103索驱动机器人综述

|动力学模型文献综述索驱动机器人动力学建模电机电机输入电流与输出扭矩的关系对伺服电机，认为输入电流与输出扭矩成正比作动器的动力学电机转子、减速器、滚筒（线轴）等构成的索驱动单元以及滑轮的动力学将转动惯量和阻尼向电机轴等效绳索弹性将绳索考虑为轴向的线性弹簧[22]主要针对于末端动平台的动态响应Euler-Newton方法Lagrange方法：适用于复杂系统动力学建模方法动平台的动力学加速度项绳索索力对动平台的合力动平台所受的其他外力科里奥利力及离心力项重力项113索驱动机器人综述

|索力分配算法文献综述索力分配算法索力分配问题线性规划二次规划Verhoeven[19]以索力p范数为优化目标，使用梯度下降求解：该方法保证索力连续随p值的增大，求解区域趋近真实的索力边界，但计算复杂度提高不保证实时性Pott

[20]提出了一种索力分配的闭式解：具有解析表达式求解距离相对于参考索力偏差二范数最小的索力解保证索力的连续，广泛用于控制器设计中本课题计划使用Pott等人所提出的闭式解索力分配算法索驱动机器人的运动学与力平衡耦合控制量为电机输入电流，与电机扭矩和绳索索力相关索力分配算法索力分配问题的特点绳索只能施加拉力而不能施加推力，需要合理设置绳索索力保证不虚牵索力分布存在时通常为多解，根据优化目标求解优化问题得到特定解通常关注算法的实时性以及解的连续性123索驱动机器人综述

|控制策略文献综述控制算法Khosravi等人提出一种PID控制器[24]基于位置反馈引入绳索内力概念控制算法分类依据反馈量的类型进行分类基于位置的控制基于索长空间的控制基于任务空间的控制基于力的控制力位混合控制索长空间：电机编码器任务空间：外部传感器获取动平台位姿基于力的控制：力传感器反馈Kraus等人的控制器[27]绳索弹性补偿项作动器参数辨识，近似为二阶环节提高了位置控制精度Kraus等人：力位混合控制器[28]思路1：使用基于绳索索长的控制器并对绳索弹性进行补偿，控制动平台位置思路2：使用基于绳索索力反馈的控制器，直接控制索力及绳索对动平台的合力1研究背景2研究目标3文献综述134研究路线144研究路线与计划研究路线研究路线|研究路线技术路线图索驱动机器人构型平面三索机器人三条绳索的索结点为同一点，完全约束定位机构模拟失重状态下扰动力施加，竖直方向使用1条绳索对末端动平台对重力进行完全卸载重力加速度g154研究路线与计划研究路线研究路线|研究路线技术路线图索驱动机器人运动学与动力学动态响应要求较为精确，考虑绳索弹性滑轮效应和绳索垂度影响较小，予以忽略重力加速度g164研究路线与计划已开展的工作：系统的运动学建模研究路线|已完成的工作记末端动平台的位置为考虑几何封闭方程计算得到绳索长度计算得到绳索长度计算得到绳索方向向量平面三索驱动机器人的运动学模型由于该机器人只有2个平动自由度，因此结构矩阵简化为174研究路线与计划已开展的工作：系统的动力学建模研究路线|已完成的工作动平台的动力学方程索驱动单元（作动器）的动力学方程绳索索长变化量与电机轴坐标的关系绳索索长变化量与电机轴坐标的关系Lagrangian函数Lagrangian方程系统的动力学方程184研究路线与计划研究路线研究路线|研究路线技术路线图索力分配算法使用Pott等人所提出的闭式解方法算法计算复杂度低，满足实时控制要求满足索力连续扰动力施加控制算法分别基于索长空间和索力设计控制器非基于模型的控制器（PID，滑模控制等）实现末端动平台输出：给定幅值、频率和方向的正弦扰动力任意规律的扰动力正弦扰动力任意规律扰动力预期目标194研究路线与计划已开展的工作：索力分配算法的MATLAB实现与测试研究路线|已完成的工作直线轨迹对应的索力曲线直线轨迹圆轨迹对应的索力曲线圆轨迹基于Pott提出的闭式解方法实现索力分配算法阿基米德螺旋线轨迹阿基米德螺旋线轨迹的索力曲线索力解为其中广义逆写作参考索力一般取为204研究路线与计划研究路线研究路线|研究路线技术路线图仿真分析MATLAB/Simulink实现该索驱动机器人的动力学模型控制器与索驱动机器人模型Simulink仿真实验验证利用索驱动单元搭建该平面三索驱动扰动力施加机器人实验平台IMU

测量末端动平台的加速度，间接测量实际施加的扰动力，计算相对期望扰动力的偏差（幅值、方向、频率）扰动力施加的评价指标依据扰动力施加的幅值、频率和方向偏差情况评价扰动力的输出效果计算末端动平台与期望扰动力曲线的RMS误差214研究路线与计划研究计划研究路线|研究计划技术路线图时间安排224参考文献参考文献参考文献|参考文献[1]

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