平面索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人擾動(dòng)力主動(dòng)施加策略研究1研究背景2研究目標(biāo)3文獻(xiàn)綜述24研究路線31研究背景研究背景|研究背景月面著陸與起飛擾動(dòng)力模擬平面索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人擾動(dòng)力主動(dòng)施加策略研究空間飛行器在起飛和著陸時(shí)受到羽流擾動(dòng)力的影響工程技術(shù)需求：模擬空間飛行器起飛和著陸過(guò)程受到的擾動(dòng)力火星風(fēng)對(duì)飛行器的著陸過(guò)程過(guò)程產(chǎn)生擾動(dòng)[1-2]常規(guī)模擬方法：數(shù)值仿真、高空拋傘實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞模擬[6]火星著陸過(guò)程擾動(dòng)力模擬常規(guī)模擬方法：點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)火星風(fēng)擾有毒，成本高昂，危險(xiǎn)系數(shù)大成本較高，實(shí)驗(yàn)周期漫長(zhǎng)設(shè)備成本較高，無(wú)法進(jìn)行全尺寸模擬需要低成本，更加通用的擾動(dòng)力施加方法41研究背景Gough-Stewart平臺(tái)模擬擾動(dòng)力研究背景|研究背景平面索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人擾動(dòng)力主動(dòng)施加策略研究主動(dòng)施加空間6自由度的擾動(dòng)力主要模擬空間衛(wèi)星微振[4]靜態(tài)情況下的擾動(dòng)力模擬索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和彈簧結(jié)構(gòu)施加平面2自由度的擾動(dòng)力（1R1T）模擬火星風(fēng)擾對(duì)飛行器的影響[6-7]一種擾動(dòng)力被動(dòng)施加方法：無(wú)法模擬任意規(guī)律的擾動(dòng)力索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人施加擾動(dòng)力利用索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)力主動(dòng)施加1研究背景2研究目標(biāo)3文獻(xiàn)綜述54研究路線62研究目標(biāo)

|研究目標(biāo)研究目標(biāo)研究目標(biāo)本課題主要內(nèi)容為搭建一套基于平面三索機(jī)器人的擾動(dòng)力施加實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型分析工作空間實(shí)現(xiàn)一種索力分配算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于該構(gòu)型的擾動(dòng)力施加控制方法提出擾動(dòng)力施加的評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)擾動(dòng)力施加控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)擾動(dòng)力施加控制方法是準(zhǔn)確施加擾動(dòng)力的關(guān)鍵。正弦擾動(dòng)力任意規(guī)律擾動(dòng)力預(yù)期效果用于平面擾動(dòng)力施加的索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型重力加速度g目標(biāo)輸出：繩索對(duì)動(dòng)平臺(tái)的合力F1研究背景2研究目標(biāo)3文獻(xiàn)綜述74研究路線83文獻(xiàn)綜述3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)3.2動(dòng)力學(xué)3.3索力分配算法3.4控制算法93索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人綜述

|運(yùn)動(dòng)學(xué)模型文獻(xiàn)綜述索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模繩索彈性對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的場(chǎng)合相對(duì)于繩索的軸向彈性，橫向彈性所引起的擾動(dòng)可以忽略[22]本課題將繩索等效為剛度恒定的軸向彈簧[22]滑輪效應(yīng)滑輪的幾何形狀影響繩索方向和出索點(diǎn)位置Bruckmann在建立了考慮滑輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[16]滑輪對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型精度的影響與滑輪的半徑有關(guān)，通常影響較小本課題中不考慮滑輪效應(yīng)的影響繩索垂度Korayam利用懸鏈線對(duì)繩索垂度進(jìn)行建模[17]Gouttefarde利用拋物線簡(jiǎn)化繩索垂度模型針對(duì)索長(zhǎng)較長(zhǎng)，繩索質(zhì)量無(wú)法忽略的情況[18]本課題中繩索垂度可以忽略不計(jì)將繩索簡(jiǎn)化為出索點(diǎn)和索結(jié)點(diǎn)之間距離約束考慮靜平臺(tái)出索點(diǎn)，動(dòng)平臺(tái)索結(jié)點(diǎn)，動(dòng)平臺(tái)位姿和索長(zhǎng)的幾何關(guān)系[14]矢量封閉方程

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型繩索長(zhǎng)度繩索方向向量索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)矩陣103索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人綜述

|動(dòng)力學(xué)模型文獻(xiàn)綜述索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模電機(jī)電機(jī)輸入電流與輸出扭矩的關(guān)系對(duì)伺服電機(jī)，認(rèn)為輸入電流與輸出扭矩成正比作動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)電機(jī)轉(zhuǎn)子、減速器、滾筒（線軸）等構(gòu)成的索驅(qū)動(dòng)單元以及滑輪的動(dòng)力學(xué)將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼向電機(jī)軸等效繩索彈性將繩索考慮為軸向的線性彈簧[22]主要針對(duì)于末端動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Euler-Newton方法Lagrange方法：適用于復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)加速度項(xiàng)繩索索力對(duì)動(dòng)平臺(tái)的合力動(dòng)平臺(tái)所受的其他外力科里奧利力及離心力項(xiàng)重力項(xiàng)113索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人綜述

|索力分配算法文獻(xiàn)綜述索力分配算法索力分配問(wèn)題線性規(guī)劃二次規(guī)劃Verhoeven[19]以索力p范數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，使用梯度下降求解：該方法保證索力連續(xù)隨p值的增大，求解區(qū)域趨近真實(shí)的索力邊界，但計(jì)算復(fù)雜度提高不保證實(shí)時(shí)性Pott

[20]提出了一種索力分配的閉式解：具有解析表達(dá)式求解距離相對(duì)于參考索力偏差二范數(shù)最小的索力解保證索力的連續(xù)，廣泛用于控制器設(shè)計(jì)中本課題計(jì)劃使用Pott等人所提出的閉式解索力分配算法索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)與力平衡耦合控制量為電機(jī)輸入電流，與電機(jī)扭矩和繩索索力相關(guān)索力分配算法索力分配問(wèn)題的特點(diǎn)繩索只能施加拉力而不能施加推力，需要合理設(shè)置繩索索力保證不虛牽索力分布存在時(shí)通常為多解，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)求解優(yōu)化問(wèn)題得到特定解通常關(guān)注算法的實(shí)時(shí)性以及解的連續(xù)性123索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人綜述

|控制策略文獻(xiàn)綜述控制算法Khosravi等人提出一種PID控制器[24]基于位置反饋引入繩索內(nèi)力概念控制算法分類依據(jù)反饋量的類型進(jìn)行分類基于位置的控制基于索長(zhǎng)空間的控制基于任務(wù)空間的控制基于力的控制力位混合控制索長(zhǎng)空間：電機(jī)編碼器任務(wù)空間：外部傳感器獲取動(dòng)平臺(tái)位姿基于力的控制：力傳感器反饋Kraus等人的控制器[27]繩索彈性補(bǔ)償項(xiàng)作動(dòng)器參數(shù)辨識(shí)，近似為二階環(huán)節(jié)提高了位置控制精度Kraus等人：力位混合控制器[28]思路1：使用基于繩索索長(zhǎng)的控制器并對(duì)繩索彈性進(jìn)行補(bǔ)償，控制動(dòng)平臺(tái)位置思路2：使用基于繩索索力反饋的控制器，直接控制索力及繩索對(duì)動(dòng)平臺(tái)的合力1研究背景2研究目標(biāo)3文獻(xiàn)綜述134研究路線144研究路線與計(jì)劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型平面三索機(jī)器人三條繩索的索結(jié)點(diǎn)為同一點(diǎn)，完全約束定位機(jī)構(gòu)模擬失重狀態(tài)下擾動(dòng)力施加，豎直方向使用1條繩索對(duì)末端動(dòng)平臺(tái)對(duì)重力進(jìn)行完全卸載重力加速度g154研究路線與計(jì)劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較為精確，考慮繩索彈性滑輪效應(yīng)和繩索垂度影響較小，予以忽略重力加速度g164研究路線與計(jì)劃已開展的工作：系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模研究路線|已完成的工作記末端動(dòng)平臺(tái)的位置為考慮幾何封閉方程計(jì)算得到繩索長(zhǎng)度計(jì)算得到繩索長(zhǎng)度計(jì)算得到繩索方向向量平面三索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由于該機(jī)器人只有2個(gè)平動(dòng)自由度，因此結(jié)構(gòu)矩陣簡(jiǎn)化為174研究路線與計(jì)劃已開展的工作：系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模研究路線|已完成的工作動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程索驅(qū)動(dòng)單元（作動(dòng)器）的動(dòng)力學(xué)方程繩索索長(zhǎng)變化量與電機(jī)軸坐標(biāo)的關(guān)系繩索索長(zhǎng)變化量與電機(jī)軸坐標(biāo)的關(guān)系Lagrangian函數(shù)Lagrangian方程系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程184研究路線與計(jì)劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖索力分配算法使用Pott等人所提出的閉式解方法算法計(jì)算復(fù)雜度低，滿足實(shí)時(shí)控制要求滿足索力連續(xù)擾動(dòng)力施加控制算法分別基于索長(zhǎng)空間和索力設(shè)計(jì)控制器非基于模型的控制器（PID，滑模控制等）實(shí)現(xiàn)末端動(dòng)平臺(tái)輸出：給定幅值、頻率和方向的正弦擾動(dòng)力任意規(guī)律的擾動(dòng)力正弦擾動(dòng)力任意規(guī)律擾動(dòng)力預(yù)期目標(biāo)194研究路線與計(jì)劃已開展的工作：索力分配算法的MATLAB實(shí)現(xiàn)與測(cè)試研究路線|已完成的工作直線軌跡對(duì)應(yīng)的索力曲線直線軌跡圓軌跡對(duì)應(yīng)的索力曲線圓軌跡基于Pott提出的閉式解方法實(shí)現(xiàn)索力分配算法阿基米德螺旋線軌跡阿基米德螺旋線軌跡的索力曲線索力解為其中廣義逆寫作參考索力一般取為204研究路線與計(jì)劃研究路線研究路線|研究路線技術(shù)路線圖仿真分析MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)該索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型控制器與索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模型Simulink仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證利用索驅(qū)動(dòng)單元搭建該平面三索驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)力施加機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)IMU

測(cè)量末端動(dòng)平臺(tái)的加速度，間接測(cè)量實(shí)際施加的擾動(dòng)力，計(jì)算相對(duì)期望擾動(dòng)力的偏差（幅值、方向、頻率）擾動(dòng)力施加的評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)擾動(dòng)力施加的幅值、頻率和方向偏差情況評(píng)價(jià)擾動(dòng)力的輸出效果計(jì)算末端動(dòng)平臺(tái)與期望擾動(dòng)力曲線的RMS誤差214研究路線與計(jì)劃研究計(jì)劃研究路線|研究計(jì)劃技術(shù)路線圖時(shí)間安排224參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)|參考文獻(xiàn)[1]

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