轮式移动多机协调吊运系统建模及稳定性分析

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近年来,关于机器人吊运的研究变得越来越热门,已广泛应用于多个领域,如市政工程、道桥建设和船舶装卸货物等等。随着社会生产任务对吊运作业的载荷、精度、安全性以及稳定性的要求越来越高,单台机器人的作业范围、承重能力以及灵活度有限,很难完成高载荷以及比较复杂的吊运任务。同时,随着单体起重机在材料、结构以及控制等方面的快速发展使多机吊运越来越成熟,多机协调吊运也越来越多地应用到实际工程中。对于多机吊运,大部分学者研究固定基座的多机协调吊运系统和空中多机协调吊运系统,对于移动多机协调吊运的研究还相对较少,尤其是对于移动平台耦合关节型机械臂的多机协调吊运的研究更少,因此,该领域具有广阔的研究前景。本文首先建立了轮式移动多机协调吊运系统的空间构型并分析了移动机械臂和吊运并联系统的正逆运动学,分别使用拉格朗日法和牛顿-欧拉法两种方法建立了移动机械臂和吊运系统的动力学方程。具体分析系统在静态、静态受力以及动态受力三种情况下机械臂作用于移动平台的力/力矩。然后将误差分析理论应用于轮式移动多机协调吊运系统的误差研究中,基于轮式移动多机协调吊运系统的运动学模型,利用矩阵全微分法建立移动机械臂误差模型和柔索并联系统的误差模型,并结合系统的空间运动关系建立其综合误差模型。紧接着,建立了系统误差源的误差灵敏度模型,分析了整个系统中36项误差源误差对系统输出的影响,设置灵敏度系数标准值得到系统的敏感误差源分别为移动平台的位姿角误差以及三连杆机械臂关节驱动角误差。接下来研究了三种应用最广泛的倾覆稳定性判据,针对本文研究的轮式移动多机协调吊运系统选择FAM判据作为该系统的稳定性判据。然后利用FAM稳定性判据分别分析了静态、静态受力和动态受力三种情况下的系统倾覆稳定性的变化规律。最后在Matlab软件中编程比较了两组机械臂运动学逆解对应的标准稳定角,结果证明运动过程中系统都处于稳定状态,并有一组变量即逆解对应的稳定性更好。最后,为了提高系统的抗倾覆能力,对轮式移动机械臂的设计参数进行优化。在FAM稳定性判据研究的基础上分别分析了移动平台支撑轮数量、质量、轮径以及机械臂安装位置对系统稳定性的影响。
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