四绳驱动并联机器人工作空间与刚度的建模、分析及优化方法
CSTR:
作者:
作者单位:

中山大学智能工程学院

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

TP24

基金项目:

国家自然科学基金 (62103454), 广东省基础与应用基础研究基金 (2024A1515010540), 深圳市科技计划资 助 (JCYJ20220530150006014).


Modeling, analysis and optimization method of workspace and stiffness of 4-cable-driven parallel robot
Author:
Affiliation:

School of Intelligent Systems Engineering, Sun Yat-sen University

Fund Project:

The national natural science foundation of China (62103454), Basic and applied basic research foundation of guangdong province (2024 a1515010540), Shenzhen science and technology plan to help (JCYJ20220530150006014).

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    摘要:

    相比于刚性连杆并联机器人,绳驱并联机器人(cable-driven parallel robot, CDPR)存在结构简单轻盈、工作空间大、响应速度快及成本低廉等优点,非常适合极端空间环境。然而,由于电机、绳索和末端执行器之间存在复杂的耦合关系,CDPR工作空间和刚度的求解具有挑战性。基于此,本文提出了一种四绳驱动并联机器人工作空间与刚度的建模、分析及优化方法,并用于指导CDPR动锚点位置设计决策。首先,建立了考虑滑轮模型的CDPR运动学模型,并通过优化方法对CDPR “电机-绳索-末端”多层运动学进行了求解。然后,建立了CDPR的工作空间,并给出了工作空间优化的求解方法。进一步地,推导了CDPR的刚度模型,并给出了刚度优化的求解方法。最后,根据优化后的工作空间与刚度模型,对CDPR的动平台锚点位置设计决策进行优化,数值仿真结果和实验证明了方法的正确性与有效性。相比于刚性连杆并联机器人,绳驱并联机器人(cable-driven parallel robot, CDPR)存在结构简单轻盈、工作空间大、响应速度快及成本低廉等优点,非常适合极端空间环境。然而,由于电机、绳索和末端执行器之间存在复杂的耦合关系,CDPR工作空间和刚度的求解具有挑战性。基于此,本文提出了一种四绳驱动并联机器人工作空间与刚度的建模、分析及优化方法,并用于指导CDPR动锚点位置设计决策。首先,建立了考虑滑轮模型的CDPR运动学模型,并通过优化方法对CDPR “电机-绳索-末端”多层运动学进行了求解。然后,建立了CDPR的工作空间,并给出了工作空间优化的求解方法。进一步地,推导了CDPR的刚度模型,并给出了刚度优化的求解方法。最后,根据优化后的工作空间与刚度模型,对CDPR的动平台锚点位置设计决策进行优化,数值仿真结果和实验证明了方法的正确性与有效性。

    Abstract:

    Compared with the rigid-link parallel robot, the cable-driven parallel robot ( CDPR ) has the advantages of a simple and lightweight structure, large working space, fast response speed, and low cost, which is very suitable for extreme space environments. However, due to the complex coupling relationship between the motor, the cable, and the end effector, the solution of the CDPR workspace and stiffness is challenging. In this paper, a modeling, analysis, and optimization method of workspace and stiffness of four-cable-driven parallel robots is proposed, which is used to guide the design decision of CDPR dynamic anchor position. Firstly, the CDPR kinematics model considering the pulley model is established, and the multi-layer kinematics is solved by the optimization method. Then, the workspace of CDPR is established, and the solution method of workspace optimization is given. Furthermore, the stiffness model of CDPR is derived, and the solution method of stiffness optimization is given. Finally, according to the optimized workspace and stiffness model, the anchor position design decision of the moving platform of CDPR is optimized. The numerical simulation results and experiments prove the correctness and effectiveness of the method.

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  • 收稿日期:2024-01-12
  • 最后修改日期:2024-06-17
  • 录用日期:2024-06-22
  • 在线发布日期: 2024-07-28
  • 出版日期:
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