缆系式紧耦合多机器人系统协调建模及稳定性分析

The research aims at the basic problems of the cable-tring close-coupling multiple robots system because of the existence of the cable in system. So firstly, taking load balancing and capability match as the principle, according to the expectations of the motion on the operated objects, the method of limiting internal force is adopted to gain the system static and dynamic load distribution analytical expression, obtain the system reasonable working space and get the fast calculation approach preliminarily designed by the system under the static configuration. Secondly, considering the redundancy driving characteristics, the unique solution of the system kinematics is determined by making coordination strategy.By Newton-Euler method and the trailer line theory, the robot, the cable model and the operated object are created and with the comprehensive influence coefficient method, establishing the whole coupling model of the system. Then, based on the proposed direct-inverse kinematics and dynamics equation, analyze the effect scope and the influence law that the system parameters make on the motion precision and analyze the system dynamic movement precision by using force/position hybrid control strategy. What's more, analysing the stability of system and give the comprehensive evaluation analytical formula of the stability. Finally, building the physical experiment system and establishing the virtual simulation system to verify the results obtained by this project. The expected results will have a positive impact on the practical progress of this kind of multiple robots system.

针对系统内部存在缆索约束的紧耦合多机器人系统，研究由于缆索的存在系统所产生的基本问题。首先以负载平衡和能力匹配为原则，根据被操作物的期望运动采用限制系统内力的方法获得系统静态和动态载荷分配的解析表达式，得到系统合理的工作空间，并在静态构型下，获得系统初步设计的快速计算方法。其次考虑系统的冗余驱动特性，通过制定协调策略确定系统运动学的唯一解，采用牛顿-欧拉法和悬垂线理论分别建立系统中机器人、被操作物和缆索的模型，并用综合影响系数法建立系统的整体耦合模型。随后，基于所建正逆运动学和动力学方程，分析系统参数对运动精度的影响范围和影响规律，并采用力/位置混合控制策略来分析系统的动态运动精度。接下来采用解析计算和基于斜率的方法分析系统的稳定性和给出稳定性综合评价解析式。最后搭建实体实验系统，并建立虚拟仿真系统，验证所获得的研究结果。本项目预期成果的取得将会为该类多机器人系统的实用化进展产生积极影响。

针对系统内部存在缆索约束的紧耦合多机器人系统，研究由于缆索的存在系统所产生的基本问题。.主要研究内容为：首先以负载平衡和能力匹配为原则，根据被操作物的期望运动采用限制系统内力的方法获得系统静态和动态载荷分配的解析表达式，得到系统合理的工作空间，并在静态构型下，获得系统初步设计的快速计算方法。其次考虑系统的冗余驱动特性，通过制定协调策略确定系统运动学的唯一解，采用牛顿-欧拉法和悬垂线理论分别建立系统中机器人、被操作物和缆索的模型，并用综合影响系数法建立系统的整体耦合模型。随后，基于所建正逆运动学和动力学方程，分析系统参数对运动精度的影响范围和影响规律，并采用力/位置混合控制策略来分析系统的动态运动精度。接下来采用解析计算和基于斜率的方法分析系统的稳定性和给出稳定性综合评价解析式。最后搭建实体实验系统，并建立虚拟仿真系统，验证所获得的研究结果。.主要研究结果为：1）通过机器人末端吊点的位置和绳长的大小是否变化、被吊运物的运动自由度要求、被吊运物的自由度个数和约束它的绳索个数之间的关系，对系统进行分类。建立了广义性的运动学方程，并分别利用牛顿—欧拉方程和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。然后从方程是否有解的角度，对各类问题下解的情况进行了分析，并给出了求解方法。2）应用闭环矢量法和矩阵全微分方法建立了系统的综合误差模型，随后对系统误差源的误差灵敏度进行了分析。3）分析了系统的静平衡工作空间和动力学工作空间，在静平衡工作空间中，分别利用法方程和QR分解对静平衡方程进行了分析，存在唯一的最小二乘解。最后结合蒙特卡洛法，得到了负载的静平衡工作空间。在动力学工作空间中，对动力学方程进行了分析，结合Farkas和Stiemke引理，将工作空间的求解转换成了是否存在超平面的问题进行了系统动力学工作空间求解。4）大部分情况下是无法直接求出绳的拉力，而保障绳的拉力介于预紧力和绳张力极限之间是系统工作的基础，因此有必要对绳的拉力进行拉力优化。对于无穷解时，将其转换成了非线性规划问题，通过求取最优解，可以得到满足要求的绳的最低解和最高解，而最优解是介于两者之间。对于无解时，转换成了求解最小二乘解。5）由于柔索只能对被吊运物提供单向的拉力，很难用传统方法评价该系统的运动稳定性，因此在吊运系统的运动学和动力学模型的基础上分别定义了位置性能因子、姿态性能因子和柔索拉力性能因子，并将三个性能因子通