欠驱动柔性机器人动力学建模及仿真

根据欠驱动机器人的结构特点，以柔性多体系统动力学理论为基础，采用便于实时控制的假设模态方法，建立了具有柔性杆件的欠驱动机器人的动力学模型。对动力学模型的求解进行了分析，讨论了被动关节处模态函数各种边界条件的确定。通过对二自由度欠驱动机器人被动关节的位置控制，实现对柔性杆的弹性变形及其变化的仿真分析，所得结果验证了假设模态方法动力学模型的有效性，反映了不同驱动器位置系统的振动特性和对系统振动控制的必要性。     

欠驱动仿袋鼠跳跃机器人动力学耦合研究

根据袋鼠的生物结构及运动特点,建立了具有欠驱动关节的仿袋鼠跳跃机器人模型。以此模型为基础,分析系统的主动关节与被动关节之间的加速度耦合效应。采用拉格朗日方方法建立了机构的动力学方程。结合实例,运用Matlab软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人全局单关节耦合变化规律。结果表明:仿袋鼠跳跃机器人的踝关节与欠驱动关节间存在足够大的耦合并且通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的。动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计和驱动装置位置有重要作用。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

三刚体液压欠驱动跳跃机器人研究

根据袋鼠的结构特点,建立了具有欠驱动关节的液动三刚体跳跃机器人模型,关节处加装扭转弹簧,实现了关节的柔性和储能。建立了机构在着地阶段的欠驱动动力学方程,分析了主被动关节间动力学耦合效应。结合实例求得液压缸驱动力变化规律与机器人理论姿态图。建立实体模型,并运用ADAMS进行欠驱动动力学仿真。结果表明:通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的,与理论姿态图对比结果也验证了所提出方案的可行性及所建模型的正确性。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

基于模糊控制理论,研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统,利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动,同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想,提出双模态模糊PID复合控制算法,针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性,在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明,所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。     

考虑驱动器特性的柔性弹跳机器人的轨迹跟踪控制

针对弹跳机器人存在的欠驱动问题以及轨迹跟踪控制问题,提出了电机和液压混合驱动的欠驱动仿生柔性弹跳机器人系统。首先建立欠驱动柔性弹跳机器人的运动学模型,通过5次多项式规划、主动关节和被动关节的动力学耦合关系得出各关节转角的变化规律,然后比较了考虑驱动器特性和不考虑驱动器特性时质心的运动规律。其次,建立考虑驱动器特性的机器人完整动力学模型,采用部分反馈线性化和极点配置相结合的方法对其进行运动控制。最后,仿真证明柔性关节能提高机器人弹跳性能,提出的控制方法是可行的。     

综合考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学分析

提出了空间柔性转子梁单元模型,建立了考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学方程。首次给出了一个四杆空间机器人的数值算例,说明了柔性空间机器人的弹性变形对方向误差及位置误差都具有很重要的影响,杆和关节的弹履变形之间有相互耦合影响作用。     

基于模糊控制的2R欠驱动机器人位置控制

基于模糊控制理论,研究2R欠驱动机器人关节的位置控制问题.在被动关节附加电磁制动器以控制关节间的耦合状态.根据电磁制动器的工作状态,将欠驱动机器人的位置控制分为两个阶段.第一阶段,制动器解锁,利用被动关节加速度与驱动关节转矩间的动力学耦合效应,间接控制被动关节沿预定轨迹运动到预定位置,同时总结模糊控制规则,设计用于控制被动关节运动的模糊控制器.第二阶段,制动器锁定,然后驱动关节运动到预定位置.设计并搭建了基于可编程多轴运动控制卡的试验控制系统.最后通过试验成功实现2R欠驱动机器人关节的位置控制.试验数据表明,模糊控制方法对于机器人被动关节具有较高的位置控制精度,鲁棒性良好,并且不依赖于机器人动力学模型,实时控制的计算量小,体现出智能控制的优越性.     

Analysis of the dynamic stress of planar flexible-links parallel robots

This paper presents a method for the dynamic stress analysis of planar parallel robots with flexible links and a rigid moving platform. The finite element-based dynamic model of flexible parallel robots is proposed. The relation between elastic deformations and elastic displacements of the flexible links is investigated, considering the coupling effects of elastic motion and rigid motion. The elastic deformations of links are calculated. Considering the effects of bending-shearing strain and tensile-compression strain, the dynamic stress of the links and its position are derived by using the Kineto-Elastodynamics theory and the Timoshenko beam theory. Due to the flexibility of the links, the dynamic stresses are well illustrated through numerical simulation. Compared with the results of the finite element software SAMCEF, the numerical simulation results show the good coherence and advantages of the analysis method. The dynamic stress analysis is demonstrated to have a significant impact on the analysis, design and control of flexible parallel robots.     

两4R冗余度柔性机器人协调操作的运动规划

提出了改进的关节初始位形规划法、改进的自运动规划法以及初始位形和自运动规划综合法，并对冗余度柔性协调操作机器人进行了运动规划，在保证两机器人协调以及两机器人各杆的弹性变形和动应力不超标的情况下，有效地降低了系统负载质心的位置误差，改善了系统的运动学性能，并且规划后的角加速度规律容易实现。     

欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。     

欠驱动弹跳机器人最优运动姿态的驱动器配置

研究了具有一个被动关节的三关节单腿欠驱动弹跳机器人的轨迹规划问题。首先建立欠驱动机器人在着地阶段的动力学模型;然后采用数值迭代的方法,以主动关节驱动力矩最小为优化目标,得出了机器人各关节转角的运动规律;最后通过仿真得到三种驱动器配置情况下机器人的关节转角运动规律、姿态图以及驱动力矩,并对其进行了分析比较。结果表明：所提出的运动规划方法是可行的,采用髋关节和踝关节驱动是三种驱动器配置中最合理的情况。     

Dynamic modeling of flexible-links planar parallel robots

This paper presents a finite element-based method for dynamic modeling of parallel robots with flexible links and rigid moving platform. The elastic displacements of flexible links are investigated while considering the coupling effects between links due to the structural flexibility. The kinematic constraint conditions and dynamic constraint conditions for elastic displacements are presented. Considering the effects of distributed mass, lumped mass, shearing deformation, bending deformation, tensile deformation and lateral displacements, the Kineto-Elasto dynamics (KED) theory and Lagrange formula are used to derive the dynamic equations of planar flexible-links parallel robots. The dynamic behavior of the flexible-links planar parallel robot is well illustrated through numerical simulation of a planar 3-RRR parallel robot. Compared with the results of finite element software SAMCEF, the numerical simulation results show good coherence of the proposed method. The flexibility of links is demonstrated to have a significant impact on the position error and orientation error of the flexible-links planar parallel robot.