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空間攀爬機器人
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  • 文以一種基于delta并聯機構的空間攀爬機器人為研究對象,對其位姿誤差進行了分析,并對機器人的結構、尺寸進行了優化。首先分析空間攀爬機器人的誤差主要來源于delta機構,推導了delta機構運動學的正逆解,求解出delta機構的運動空間,并以此為基礎利用幾何空間向量法,建立了delta機器人關節處孔軸歪斜誤差模型,求解出delta機構的位姿誤差,其計算結果表明其關節處的孔軸歪斜對于delta機構的運動精度具有較大的影響;然后根據空間攀爬機器人的功能需求,對機器人進行了整體的尺寸規劃,之后求解了delta機構雅可比矩陣的條件數,以此對delta機構進行運動傳遞性能評估;綜合考慮delta機構的位姿誤差和運動傳遞性能,將其作為尺度綜合的兩個目標函數,求出機器人最優的尺寸組合。最后基于delta機構的誤差來源,對其進行結構上面的優化。本文以一種基于delta并聯機構的空間攀爬機器人為研究對象,對其位姿誤差進行了分析,并對機器人的結構、尺寸進行了優化。首先分析空間攀爬機器人的誤差主要來源于delta機構,推導了delta機構運動學的正逆解,求解出delta機構的運動空間,并以此為基礎利用幾何空間向量法,建立了delta機器人關節處孔軸歪斜誤差模型,求解出delta機構的位姿誤差,其計算結果表明其關節處的孔軸歪斜對于delta機構的運動精度具有較大的影響;然后根據空間攀爬機器人的功能需求,對機器人進行了整體的尺寸規劃,之后求解了delta機構雅可比矩陣的條件數,以此對delta機構進行運動傳遞性能評估;綜合考慮delta機構的位姿誤差和運動傳遞性能,將其作為尺度綜合的兩個目標函數,求出機器人最優的尺寸組合。最后基于delta機構的誤差來源,對其進行結構上面的優化。
    關鍵詞: Delta;并聯機構;混聯機構;運動學分析;路徑規劃;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 國內外的研究現狀 1
    1.2.1空間攀爬機器人 1
    1.2.2 delta發展概況 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 空間攀爬機器人的結構 5
    2.1運行環境 5
    2.2功能需求 6
    2.3結構設計 6
    第3章 空間攀爬機器人的的位姿誤差分析 7
    3.1中間串聯電機的影響 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空間攀爬機器人尺寸優化 21
    4.1 攀爬機器人的功能需求條件 22
    4.2機器人的運動傳遞性能與精確度 23
    4.2.1 Delta機器人的運動傳遞性能 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函數的尺寸優化 27
    4.3結果分析 30
    第5章 空間攀爬機器人的結構細節優化 30
    5.1 電機聯軸器 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構 32
    5.4其他細節 33
    5.5 軸、軸承、軸承孔的配合 33
    第6章 總結與展望 35
    參考文獻 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
    隨著我國電力系統的不斷擴建,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生故障,因此輸電線路的巡檢已成為電力部門一項重要的工作。目前針對高壓輸電線的巡檢,國內外都已展開了相應的研究工作,也都相應的取得了很大的成果,有些巡檢機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以及武漢大學的穿越障礙機器人,但目前這些機器人都只具有巡檢的功能,需要用人工輔助將機器人帶到鐵塔上面,巡檢結束后還需要人工將其取下,同時這些機器人都比較重,靠人力進行上下線很不方便,且人進行高壓線鐵塔攀爬容易發生高空墜落,具有很大的安全隱患,因此本實驗室希望研究一種具有一定負載能力的鐵塔攀爬機器人,可以攜帶巡檢機器人到高壓線處,協助其進行上下線,這樣有助于提高巡檢的效率,減少危險事故的發生。
    用于鐵塔攀爬的機器人目前研究較多的多為串聯機器人,串聯機器人機械結構相對簡單,其運動學方程求解容易,控制方面難度也相對較低,對于串聯機器人的研究目前也相對比較成熟,但串聯機器人由于是各個關節連接起來,且一般在關節處用電機驅動,這就容易產生誤差的累積,無法實現高速高精度的運動。并聯機器人是一類全新的機器人,具有剛度大、承載能力強、精度高、自重負荷比小、動力性能好等一系列優點,將串聯機器人和并聯機器人結合起來用于高壓線鐵塔的攀爬可以實現其優勢的互補。Delta 并聯機器人是最典型的空間三自由度移動的并聯機構,整體結構簡單、緊湊,驅動部分均布于固定平臺,這些特點使它具有良好的運動學和動力學特性,因此,本實驗室研究了一種基于delta機構的雙足空間攀爬機器人。
    1.2 國內外的研究現狀
    1.2.1空間攀爬機器人
    國內外學者對空間攀爬機器人也做出了較多的研究,但大部分都為串聯機器人,波士頓動力公司推出了Rise系列的機器人,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足結構,第三種為四足結構,其RiSE3的樣機如圖,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到22厘米...
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