空间攀爬机器人
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- 文以一种基于delta并联机构的空间攀爬机器人为研究对象，对其位姿误差进行了分析，并对机器人的结构、尺寸进行了优化。首先分析空间攀爬机器人的误差主要来源于delta机构，推导了delta机构运动学的正逆解，求解出delta机构的运动空间，并以此为基础利用几何空间向量法，建立了delta机器人关节处孔轴歪斜误差模型，求解出delta机构的位姿误差，其计算结果表明其关节处的孔轴歪斜对于delta机构的运动精度具有较大的影响；然后根据空间攀爬机器人的功能需求，对机器人进行了整体的尺寸规划，之后求解了delta机构雅可比矩阵的条件数，以此对delta机构进行运动传递性能评估；综合考虑delta机构的位姿误差和运动传递性能，将其作为尺度综合的两个目标函数，求出机器人最优的尺寸组合。最后基于delta机构的误差来源，对其进行结构上面的优化。本文以一种基于delta并联机构的空间攀爬机器人为研究对象，对其位姿误差进行了分析，并对机器人的结构、尺寸进行了优化。首先分析空间攀爬机器人的误差主要来源于delta机构，推导了delta机构运动学的正逆解，求解出delta机构的运动空间，并以此为基础利用几何空间向量法，建立了delta机器人关节处孔轴歪斜误差模型，求解出delta机构的位姿误差，其计算结果表明其关节处的孔轴歪斜对于delta机构的运动精度具有较大的影响；然后根据空间攀爬机器人的功能需求，对机器人进行了整体的尺寸规划，之后求解了delta机构雅可比矩阵的条件数，以此对delta机构进行运动传递性能评估；综合考虑delta机构的位姿误差和运动传递性能，将其作为尺度综合的两个目标函数，求出机器人最优的尺寸组合。最后基于delta机构的误差来源，对其进行结构上面的优化。
关键词： Delta；并联机构；混联机构；运动学分析；路径规划；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 录
摘 要
ABSTRACT 2
第 1 章 绪论 1
1.1研究的背景与意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.2.1空间攀爬机器人 1
1.2.2 delta发展概况 3
1.2.3 delta的位姿误差分析 4
1.3 本文主要研究的问题 4
第2章 空间攀爬机器人的结构 5
2.1运行环境 5
2.2功能需求 6
2.3结构设计 6
第3章 空间攀爬机器人的的位姿误差分析 7
3.1中间串联电机的影响 7
3.2 Delta的位姿误差分析 9
3.3误差模型的建立 12
第4章 3D空间攀爬机器人尺寸优化 21
4.1 攀爬机器人的功能需求条件 22
4.2机器人的运动传递性能与精确度 23
4.2.1 Delta机器人的运动传递性能 23
4.2.2 Delta的精确度 27
4.2.3 以传递性能和精确度为目标函数的尺寸优化 27
4.3结果分析 30
第5章 空间攀爬机器人的结构细节优化 30
5.1 电机联轴器 30
5.2 主动臂与从动臂的连接 31
5.3从动臂的平行四边形结构 32
5.4其他细节 33
5.5 轴、轴承、轴承孔的配合 33
第6章 总结与展望 35
参考文献 36
附录 37
附录1主程序 37
附录2 子程序 42
致 谢 42
第 1 章 绪论
1.1研究的背景与意义
随着我国电力系统的不断扩建，输电线路越来的越多，日积月累，输电线路往往会由于各种的原因发生故障，因此输电线路的巡检已成为电力部门一项重要的工作。目前针对高压输电线的巡检，国内外都已展开了相应的研究工作，也都相应的取得了很大的成果，有些巡检机器人也都开始投入使用，具有代表性的有日本的Expliner，加拿大的LineCout以及武汉大学的穿越障碍机器人，但目前这些机器人都只具有巡检的功能，需要用人工辅助将机器人带到铁塔上面，巡检结束后还需要人工将其取下，同时这些机器人都比较重，靠人力进行上下线很不方便，且人进行高压线铁塔攀爬容易发生高空坠落，具有很大的安全隐患，因此本实验室希望研究一种具有一定负载能力的铁塔攀爬机器人，可以携带巡检机器人到高压线处，协助其进行上下线，这样有助于提高巡检的效率，减少危险事故的发生。
用于铁塔攀爬的机器人目前研究较多的多为串联机器人，串联机器人机械结构相对简单，其运动学方程求解容易，控制方面难度也相对较低，对于串联机器人的研究目前也相对比较成熟，但串联机器人由于是各个关节连接起来，且一般在关节处用电机驱动，这就容易产生误差的累积，无法实现高速高精度的运动。并联机器人是一类全新的机器人，具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点，将串联机器人和并联机器人结合起来用于高压线铁塔的攀爬可以实现其优势的互补。Delta 并联机器人是最典型的空间三自由度移动的并联机构，整体结构简单、紧凑，驱动部分均布于固定平台，这些特点使它具有良好的运动学和动力学特性，因此，本实验室研究了一种基于delta机构的双足空间攀爬机器人。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1空间攀爬机器人
国内外学者对空间攀爬机器人也做出了较多的研究，但大部分都为串联机器人，波士顿动力公司推出了Rise系列的机器人，该系列的灵感来源于蟑螂的攀爬，目前该系列共有三种，前两种为6足结构，第三种为四足结构，其RiSE3的样机如图，RiSE3的足部具有很多的针保持身体平衡的尾巴，其向上攀爬的速度可以达到22厘米...
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