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柔索驱动并联(WireDrivenParallelMechanism,WDPM)成为机器人领域研究的热点,由于WDPM用悬索取代刚性杆作为驱动臂,因此可将驱动电机放置在基座上,能有效地减轻机器人的自重,从而克服了传统刚性连杆机器人带载能力弱的缺点,由于自重减轻,因此,WDPM具有惯性小、速度快、加速度高、工作空间大等优点,其广泛应用于港口货物装卸、桥梁维护、风洞试验、医疗机械、太空探索、仿生学等领域。
由于索只能受拉不能受压,它必须具有冗余力才可以实现力的闭合,因此,它是一类冗余驱动机器人系统,其机构的动力学问题变得相当复杂。机器人设计中常采用构建一个针对复杂机构的计算机仿真模型来辅助机构的设计,提高设计效率,因此,本文为WDPM机构提出了一套系统的运动学、动力学仿真方法来提高设计效率,研究工作包括如下几个方面:
1.基于iSIGHT软件对七索牵引六自由度WDPM的进行了结构参数优化,确定了结构的基本参数尺寸,发现和总结了主要参数对结构的影响程度。结构参数的确定为机构运动学、动力学的理论研究和仿真分析奠定了设计基础。
2.基于MATLAB软件建立了六自由度WDPM的运动学模型,对所建立的模型进行了运动学正、逆解分析,其中提出了收敛速度快、计算稳定度高、适应性强的正解算法,为机构的性能分析提供了理论依据;导出了机构的位姿、速度、加速度的逆解数学模型并建立了位姿逆解界面,增强了仿真的可视化效果。
3.从工作空间和静刚度两方面分析了机构的性能,其中工作空间涉及可达位置工作空间、可达姿态工作空间、索力约束的位置工作空间和索力约束的姿态工作空间,同时自行开发了包含四类典型工作空间的用户界面,提高了WDPM的机构性能分析的效率;分析了动平台在特定位<姿)下机构的总体静刚度,获得了改善刚度性能的方法。
4.基于MATLAB建立了WDPM机构的静力学模型,并进行相关的静力学仿真分析,为WDPM的动力学模型的等效仿真打下理论基础。
5.基于ADAMS软件首先采用杆单元和Bushing运动副构建了单根索模型,系统研究了包括刚度、阻尼等参数的设置机理,进而建立了七索牵引六自由度WDPM的运动学和动力学等效仿真模型,分析了机构的运动学和动力学性能,从而为机构的动力学控制奠定仿真基础。