大型造船门式绳牵引并联起重机器人结构的深度剖析与优化策略.docx

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的发展和贸易交流的日益频繁，造船行业作为水上交通、海洋开发和国防建设等行业的技术装备提供者，在现代综合性产业中占据着举足轻重的地位。它不仅是劳动、资金、技术密集型产业，还对机电、钢铁、化工、航运、海洋资源勘采等上下游产业的发展具有强大的带动作用，在促进劳动力就业、发展出口贸易和保障海防安全等方面意义重大。近年来，中国造船大国的地位日益稳固，并朝着造船强国不断迈进，已形成门类齐全、体系完整、规模宏大、结构优化的产业体系和生产能力。

在船舶制造过程中，对大型构件的搬运、安装等作业要求极高，传统的起重设备在面对复杂的造船工艺和大型船舶建造需求时，逐渐暴露出诸多局限性。例如，一些大型造船门式起重机存在翻身作业不灵活、机械结构复杂等问题，这不仅影响了作业效率，还增加了操作难度和成本。而门式绳牵引并联起重机器人凭借其工作范围大、结构简单、控制自由度高等显著优点，在船厂、码头等场所得到了越来越广泛的应用。它能够协助船舶制造过程中进行大型的梯形结构构建、船板拼接、船板安装、槽型件制造等诸多关键任务，成为船舶制造过程中重要的协助设备。

然而，目前门式绳牵引并联起重机器人在结构设计和控制算法方面仍存在一些亟待解决的问题。在实际应用中，由于其结构设计不够完善，导致机器人在运行过程中可能出现稳定性差、承载能力不足等情况，影响了其工作效率和安全性。此外，控制算法的不够优化也使得机器人在面对复杂的作业任务时，难以实现精准、高效的控制。因此，对大型造船门式绳牵引并联起重机器人的结构进行深入分析，并建立相应的数学模型和仿真平台，探究其力学特性和控制策略，具有重要的理论和实际意义。

通过对机器人结构的分析和优化，可以提高其性能和稳定性，使其能够更好地适应船舶制造过程中的各种复杂工况。这不仅有助于提升造船企业的生产效率和产品质量，降低生产成本，还能推动整个造船行业向智能化、自动化方向发展，增强我国造船行业在国际市场上的竞争力。同时，对该机器人结构的研究成果，也可为其他类似的并联机器人设计和应用提供有益的参考和借鉴，促进机器人技术在更多领域的推广和应用。

1.2国内外研究现状

在造船门式绳牵引并联起重机器人的研究领域，国内外学者从多个角度进行了探索，取得了一系列有价值的成果，同时也存在一些有待完善的地方。

国外在该领域的研究起步较早，对机器人的结构设计和动力学分析有着深入的研究。1989年，DAGALAKISNG、ALBUSJS、WANGBL等人发表了关于用于造船应用的并联连杆机器人起重机的刚度研究，为机器人在造船领域的应用提供了理论基础。美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的Robo-Crane，被视为绳牵引并联起重机器人的典型代表。其采用多绳牵引的方式，实现了大工作空间和高承载能力的吊运任务，在大型部件的搬运中展现出独特优势，相关研究成果对后续机器人的设计和应用产生了深远影响。MAIERT和WOERNLEC在绳牵引并联机器人的运动学控制方面开展研究，提出了欠约束绳索悬挂操作器的逆运动学方法，为机器人的运动控制提供了重要的理论依据。此外，日本学者ARAIT和OSUMIH研发的三线悬挂机器人，在结构设计上进行了创新，提高了机器人的灵活性和稳定性。

国内在大型造船门式绳牵引并联起重机器人的研究方面也取得了显著进展。华侨大学的郑亚青针对大型造船门式起重机存在的问题，将3根绳牵引的欠约束绳牵引并联机器人技术引入到对大型造船门式起重机的改造中，提出大型造船门式绳牵引并联起重机器人的概念，并对其机构参数进行配置，详细分析了广义运动学位置逆解问题并给出计算方法，通过实例仿真表明该机器人能实现6自由度的吊运任务。在实际应用方面，国内多家船厂已经开始采用门式绳牵引并联起重机器人，如江南造船厂、沪东中华造船厂等，在实际生产中不断优化机器人的结构和控制算法，提高生产效率和产品质量。

尽管国内外在该领域取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。在结构设计方面，部分机器人的结构合理性有待提高，难以适应复杂多变的造船工况，例如在面对不同形状和尺寸的船舶构件时，机器人的操作灵活性受限。在力学分析方面，虽然已经建立了一些数学模型，但由于绳牵引并联机器人的力学模型具有非线性、强耦合和参数不确定等特点，现有模型在精确描述机器人实际运动情况和力学特性方面仍存在一定偏差，导致对机器人的性能优化和控制策略制定产生影响。在控制算法方面，虽然提出了多种控制策略，但在复杂环境下，机器人的运动控制精度和稳定性仍有待进一步提高，例如在受到外界干扰时，机器人的轨迹跟踪误差较大。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本研究将围绕大型造船门式绳牵引并联起重机器人的结构展开，具体内容如下：

• 机器人结构