关键词：
绳驱联动
绳索传动
摩擦建模
非光滑现象
动力学
摘要：
绳驱机器人将驱动部分后置,具有机电分离、敏捷性强、灵活度高的优点,在医疗、核电站检修、航空航天等领域有广阔的应用前景。然而,由于绳索自身柔性变形的影响,传动路径上大量接触摩擦力的存在以及绳索传动张力衰减的内在缺陷,在一定程度上限制了其应用。此外,这三者之间互相耦合加之绳索的非光滑接触,单纯的运动学建模无法准确描述绳驱机械臂末端与控制输入之间的关系,而动力学建模及求解更具挑战性。针对上述问题,本文以一种绳驱联动机械臂为研究对象,针对绳索不同接触形式,开展绳索传动建模研究,在此基础上,建立其非光滑动力学模型并求解。
首先,设计了绳驱联动机械臂并对联动机构套管传动路径进行了优化。由于绳驱联动机械臂关节数较多以及绳索可拉不可压的特性,相比于传统刚性机械臂,往往需要更多的驱动源。针对该问题,设计了绳驱联动机械臂,通过联动机构(含大S和小S联动,其中小S联动采用绳索-滑轮形式,大S联动采用绳索-套管形式)约束不同关节之间等角度转动,实现了等曲率耦合传动。然而,联动机构绳索变形及摩擦换向引起的类回差现象对系统精度影响显著。为了减小摩擦力,对联动机构套管传动路径进行了优化,提出了基于极小值原理的最小张力损失传动路径优化方法。
进一步,在传动路径已知的条件下,针对绳索存在非完全滑动及双侧主动输入的情况,开展了联动绳索传动建模的研究。绳索-套管传动模型本质上揭示了由绳索摩擦和弹性变形引起的非均匀分布张力的过程。从第一性原理出发,提出了绳索运动状态的迭代确定策略,以解决双侧主动输入的耦合影响。所提出的方法将每个时间步内的绳索状态迭代判断次数减少到最多29)(其中,9)是离散节点数量)次。此外,该模型存在解析解,可以在更短的时间内找到每个新迭代的解决方案。因此,所建立的绳索-套管传动模型是一个高效的实时计算模型。
接下来,开展了驱动绳索传动建模的研究。驱动绳索传动为绳索-过孔形式,相比于上述联动绳索的完全路径约束,通常为变构型滑动,即绳索过孔位置随着机械臂运动而发生变化,而摩擦力大小与接触点绳索运动状态相关。据此,本文提出了一种考虑动摩擦接触的滑动绳索高效计算方法。该方法不需要计算绳索动力学,避免了复杂的绳索建模及动力学求解过程;同时,其接触点绳索运动速度由逆Dahl摩擦模型进行估计,避免了低效的试错判断过程。
在上述研究基础上,建立了绳驱联动机械臂复杂绳索网络的非光滑动力学模型并进行了求解。由于系统自由度多,且包含大量绳索及存在不同接触形式,这使得非光滑动力学建模及求解相当困难。针对绳索带来的刚性问题,利用模型降噪方法对驱动绳索进行了模型平滑处理并改造了空间算子代数方法,得到了具有()计算复杂度的绳索全驱动机械臂动力学模型。进一步,对联动绳索采用平均曲率进行简化,并进行平滑处理,实现了绳驱联动机械臂动力学模型高效求解。
最后,为了验证上述模型,搭建了传动测试平台及绳驱联动机械臂实验系统。由于绳驱联动机械臂的复杂特性,将其机械系统进行了分解,分别针对绳索-套管传动、绳索-过孔传动以及联动机构研制了测试平台,实验验证了传动模型的准确性。在此基础上,开展了绳驱联动机械臂的实验,对整臂动力学进行了验证。
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