基于劳斯判据的柔性机械臂弹性运动稳定性分析

为了研究柔性机械臂的弹性运动稳定性,分析末端附加质量和关节惯量对弹性运动稳定性的影响,并计算柔性机械臂的动态最大许用载荷,建立了单连杆柔性机械臂的物理模型,用时空分离法和拉普拉斯变换法求解了柔性机械臂的弹性运动微分方程,用拉格朗日法建立了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型并对其简化和截断。在指定状态变量、控制作用和输出变量后,建立了状态空间表达式和传递函数,并且用劳斯判据建立了稳定性判据并对其进行了简化。用得到的稳定性判据分析了末端附加集中质量和关节惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响,并从保证弹性运动稳定的角度计算了柔性机械臂的最大许用载荷。     

基于压电反馈驱动的液压柔性机械臂抑振方法

为了抑制大型双连杆液压柔性机械臂末端振动,以重载上、下料液压柔性机械手臂为研究对象,针对机械臂在运动过程中末端振动的现象,通过伺服液压系统-Euler Bernoulli梁模型、Lagrange方程和Jacobian矩阵,设计一种基于压电反馈驱动系统控制方法,利用机械臂末端搭载的压电敏感传输器、压电驱动器和反演控制设计方法,研究伺服液压缸运动振颤、液压缸与机械臂关节卡顿和机械臂杆件弹性振动对液压柔性机械臂末端振动的影响规律。仿真结果表明,该抑振控制方法稳定性较好,针对液压柔性机械臂能显著减小末端振动,缩短振动衰减时间,定位精度得到明显改善。     

基于逆运动学的柔性机械臂末端定位控制

针对具有形变特性的柔性机械臂,在运动过程中存在末端不易定位控制或定位精度低的问题,设计了一种线驱动柔性机械臂样机,通过分析其运动机理推导末端位置空间、臂体形态空间以及驱动空间三者之间的逆运动学关系;然后,提出了基于逆运动学模型的柔性机械臂末端定位控制方案;最后,利用CoppeliaSim仿真平台建立了柔性机械臂仿真模型,并在该仿真平台中应用逆运动学关系进行柔性机械臂运动控制过程中末端定位仿真分析,仿真结果验证了所建立逆运动学模型的有效性及基于该模型的柔性机械臂末端定位控制方法的合理性.     

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。     

基于形状记忆合金驱动的柔性机械臂研究

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的柔性驱动模块,柔性驱动模块能够实现三维空间弯曲变形运动。以柔性驱动模块为模块单元,模块化组装了四关节柔性机械臂。基于SMA电阻变化特性,建立了SMA电阻自反馈控制系统,开展了柔性驱动器变形的参数化分析。进一步建立了柔性机械臂的多模态运动控制系统,实现了柔性机械臂的空间蜷缩抓取运动,通过实验验证了柔性机械臂灵活的空间运动能力。     

基于变柔性关节的机械臂运动误差研究

根据多关节柔性机械臂XN-600-1的结构特点,以刚性机械臂运动学模型为基础,建立了变柔性关节机械臂的运动误差模型,研究了其对整个操作空间的误差分布,对于设计过程中确定柔性机械臂的末端定位精度具有一定的指导意义.     

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。     

柔性机械臂的状态观测及跟踪控制研究

提出一种基于非线性状态观测器的输入输出控制策略,实现了平面运动多连杆柔性机械臂的关节角跟踪控制和弹性振动的抑制。应用拉格朗日法建立柔性机械臂的动力学模型。基于欧拉-伯努利梁理论,采用有限维度的假设模态描述机械臂的弹性振动。通过重新定义机械臂末端处的输出变量,运用输入输出线性化方法,设计反馈控制器实现了对关节角的控制;以非线性观测器获得弹性振动幅值的变化率,以此构建了振动抑制控制器。通过李雅普诺夫定理证明了设计的非线性观测器的稳定性和误差一致收敛性,引入遗传算法对振动抑制控制器的增益实现了整定,仿真结果证明了提出的控制方法的有效性。     

柔性机械臂非并置式模型参考自适应控制

推导了单连杆柔性机械臂的动力学模型,研究其末端位置的模型,参考自适应控制。在推导动力学模型时,使用刚性模态和多个弹性模态使单连杆柔性机械臂等效为一个多自由度的机械多体动力系统。在研究末端位置的弹性振动抑制方法时,使用了振动主动控制方法,用线性化模型的最优状态反馈方法构造模型、Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性理论推导了模型状态跟踪的自适应控制率,用ＬＱＲ方法推导末位置调节控制主。用模型状态跟踪和末端位置跟踪两     

基于柔性补偿的行星表面采样机械臂控制策略研究

为了适应行星表面较大范围采样及系统减重需求,行星表面采样机械臂通常由细长的臂杆和多个旋转关节串联组成,柔性特征明显。针对4自由度行星采样机械臂,提出基于柔性补偿的控制策略,以提高机械臂的运动精度。基于混合坐标法建立考虑关节和臂杆弯曲变形的机械臂运动学模型,计算机械臂末端柔性偏差;设计机械臂末端笛卡尔空间加速度连续平滑的变加速-匀速-变减速的运动路径,并在期望路径中实时补偿柔性偏差项;基于simulation X软件,建立精细的动力学和关节控制器模型,对机械臂的典型任务进行仿真,验证控制算法的有效性。结果表明,采用柔性补偿的控制策略能够明显提高机械臂的动态跟踪精度及末端定位精度。     

2F2R宏微机械臂动力学建模与弹性振动尺度效应分析

柔性宏刚性微机械臂是一类典型的刚柔混合机械臂系统。采用有限元法,以2F2R宏微机械臂为研究对象,通过分析,详细推导和建立具有普遍意义的动力学模型。基于给定关节空间运动轨迹,对2F2R宏微机械臂的结构参量、截面参量、材质、集中质量分布等与系统弹性振动尺度效应之间关系与变化规律进行分析。在此基础上,针对操作空间运动轨迹,采用宏微空间分解方法,进一步分析上述设计参量与系统弹性振动尺度效应之间关系。通过上述两方面研究工作,获得许多有参考价值的研究成果,这对于该类宏微机械臂的设计与控制都将具有重要意义。     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。     

基于PSD的柔性机械臂末端振动特性测试与分析

针对含谐波减速器柔性空间机械臂的臂杆刚度以及关节转速对机械臂末端振动的影响,利用位置敏感探测器(position sensitive detector,简称PSD)对机械臂的振动特性进行了测试分析。通过改变臂杆刚度和关节转速中单一因素,分别测量了机械臂在不同臂杆刚度和不同关节转速下的末端振动响应。研究结果表明,随着臂杆拉力和机械臂关节转速的增大,机械臂末端的振动幅度呈现上升趋势,且机械臂关节转速的改变对机械臂末端振动的影响大于臂杆刚度所造成的振动影响。     

(2SPS/U)&(2SPS/RR)型并联拟人机械臂的设计与运动学分析

针对现有仿生拟人机械臂连续性差、稳定性差和惯性冲击大的问题,提出了一种新型并联拟人机械臂,可以模拟人的腕关节、肘关节、肩关节动作,采用(2SPS/U)&(2SPS/RR)的二级耦合并联机构来驱动各个关节动作。为得到其运动学正反解,利用封闭矢量法和牛顿迭代法计算得到两级并联机构的运动学正反解;并将整个拟人臂的机构构型进行简化,基于D-H法对整个机构进行了位置正反解的计算和验证。     

Complete dynamic modeling and approximate state space equations of the flexible link manipulator

This work treats the problem of dynamic modeling and state space approximation for robotic manipulators with flexibility. Case studies are planar manipulators with a single flexible link together with clamped-free ends and tip mass conditions. In this paper, complete dynamic modeling of the flexible beam without premature linearization in the formulation of the dynamics equations is developed, whereby this model is capable of reproducing nonlinear dynamic effects, such as the beam stiffening due to the centrifugal and the Coriolis forces induced by rotation of the joints, giving it the capability to predict reliable dynamic behavior. On the other hand, in order to show the joint flexibility effects on the model dynamic behaviors, manipulator with structural and joint flexibility is considered. Thus, a reliable model for flexible beam is then presented. The model is founded on two basic assumptions: inextensibility of the neutral fiber and moderate rotations of the cross sections in order to account for the foreshortening of the beam due to bending. To achieve flexible manipulator control, the standard form of state space equations for a flexible manipulator system (flexible link and actuator) is very important. In this study, finite difference method for discretization of the dynamic equations is used and the state space equations of the flexible link with tip mass considering complete dynamic of the system are obtained. Simulation results indicated substantial improvements on dynamic behavior and it is shown that the joint flexibility has a considerable effect on the dynamic behavior of rotating flexible arm that should not be simply neglected. The effects of tip mass is proved to be increasing the elastic deformations?? amplitudes and increasing stability.     

提高柔性冗余度机器人动态性能的冗余关节运动规划方法

通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素，得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。对柔性冗余度机器人关节运动的冗余特征进行了研究。在此基础上，构造出以冗余关节角为状态变量的优化控制结构，得出一种新的柔性冗余度机器人优化控制方法，该方法使各关节的运动简单易控、保证各关节的运动不越限，消除了机器人的终态自运动。     

数控机床机械手柔性定位控制方法研究

提出了新的数控机床机械手柔性定位控制方法。在柔性条件下构建数控机床机械手双作业臂的运动学模型,基于该模型设计气动定位控制硬件与控制程序,硬件选用光编码器和分周处理器等设备,软件程序通过 PLC 来编制,从而实现对机械手手臂各关节及基座等位置的定位控制。测试结果表明:应用所提方法后,作业臂旋转关节定位变量值与其定位理想值十分接近;作业臂 1 、2 的定位变量值相对误差最高不超过 0.50° 、0.40° ,平均定位误差分别为 52.805 mm 、 58.055 mm 。说明所提方法的定位控制性能能够满足设计需求。     

A nonlinear finite element model for dynamics of flexible manipulators

A general nonlinear dynamics model is developed for three-dimensional flexible manipulators. A manipulator link is modelled as a beam undergoing both large gross rigid body motion and elastic deformation. The beam is discretized by the finite element method with its inertia lumped at the nodes of each element. A nonlinear strain-displacement relationship is developed to retain the geometric nonlinearity resulting from the large relative elastic deflections. The geometric nonlinearity is specifically treated so that the significance of the geometric nonlinear effects can be easily included not only in the fully nonlinear model, but also in the linearized model. Numerical results are presented to demonstrate the significant effects of geometric nonlinearity on the dynamic response of a flexible manipulator.     

Closed loop control of the planar flexible manipulator via Youla-Kucera parameterization

This work treats the problem of controlling a flexible robotic manipulator. The case study is a planar manipulator with a single flexible arm together with a clamped-free end and a tip lumped mass. To control the angular position of the flexible arm using an actuator, a controller method is developed which is based on Youla-Kucera parameterization. The main challenge in this approach is to obtain a Youla parameter with infinity dimensions. This parameter is approximated by a subspace with finite dimensions which makes the problem tractable. The developed approach exhibit advanced theoretical properties and good numerical convergence. In this paper, two sets of orthogonal bases such as FIR and Laguerre bases are used for system identification. The results of the present case study indicate that the proposed method is very efficient and robust for the time-continuous instances. The characteristics of an optimization problem are finally formulated for larger systems with hundreds of variables and solved with the interior point method.     

冗余度柔性空间机器人的最优关节初始位形

在机器人实现预定轨迹的条件下，利用机器人的冗余度，优化机器人的关节初始位形，降低柔性机器人运动过程中由于弹性变形引起的运动误差。给出了一空间４ Ｒ 机器人的数值算列，数值模拟结果表明了这一方法的正确性。