基于虚拟样机的机械臂动力学建模与仿真*

基于多刚体动力学的原理,在分析机械臂的运动学和拉格朗日动力学方程的基础上求解其雅可比矩阵,并采用虚拟样机技术建立了机械臂的三维仿真模型,进行了动力学分析,获得了机械臂的动态特性。通过将获得的动态特性还原到模型中,建立了基于可视化技术的机械臂运动姿态的计算机动画,逼真地模拟了机械臂的整个运动过程,检验了机械臂动力学模型的相关性能。     

基于MS-CNN算法的虚拟运动场景人机协同仿真

在目前的人机协同仿真方法中,缺乏运动场景对仿真结果影响的考虑,影响人机协同仿真的准确性,因此提出基于MS-CNN算法的虚拟运动场景人机协同仿真研究.建立虚拟运动场景模型确定运动场景下的运动参数.运用MS-CC算法对虚拟运动场景进行运动识别,提取特征参数.拟定人机协同中的影响因素.最后运用Flexsim、Matlab和VC集成软件来进仿真开发,实现仿真方法的设计.为了验证设计的仿真方法的可行性.设计实验,使用某地工厂的人机协同工作车间内2个月的订单工作数据为基础,使用设计的仿真方法以及文献[3]、文献[4]、文献[5]中的仿真方法进行实验.实验结果证明,设计的仿真方法仿真得出的数值更接近实际数值,能够准确高效实现虚拟运动场景人机协同仿真.     

末端有未知扰动的分布参数柔性机械臂的鲁棒边界控

本文研究在柔性机械臂的末端具有未知扰动的边界控制,以降低机械臂的振动.柔性机械臂的动态特性由偏微分方程表示的分布参数模型描述.在机械臂的末端边界基于Lyapunov直接法进行控制,以调节机械臂的振动.应用本文所提出的边界控制方法,可达到外界干扰下的指数稳定性.所提出的控制方法与系统参数无关,可确保在参数变化下系统具有鲁棒性.最后对所提控制方法的有效性进行了数值模拟.     

文献扫描机器人多关节机械臂滑膜控制系统设计

为提升机器人机械臂关节的传动性能,使其处于良好的反步自适应工作环境,设计文献扫描机器人多关节机械臂滑膜控制系统。利用关键控制电路,实现机械臂全局PID滑膜控制器与机器人多关节滑膜控制器间的定向连接,完成新型控制系统的硬件运行环境搭建。通过机器人控制传感器标定操作,建立等效控制及动态滑膜方程,并利用上述计算结果界定机械臂滑膜的动态品质,实现新型控制系统的软件运行环境搭建,结合软、硬件运行单元,完成文献扫描机器人多关节机械臂滑膜控制系统设计。模拟文献扫描机器人多关节机械臂运行状态,设计对比实验结果表明,与传统系统相比应用新型滑膜控制系统后,机械臂关节的传动能力得到有效提升,反步自适应参数最大值可达到1.70     

自动化控制下机械手臂运动轨迹研究

对机械手臂运动轨迹进行优化控制,能改善机械手臂的自动控制性能。为了提高机械臂的控制稳健性,提出一种基于变结构模糊PID控制的机械手臂运动轨迹优化控制模型。首先采用末端效应逆运动学模型构建机械手臂的运动规划约束参量数学模型,采用七自由度运动空间重构方法建立机械手臂运动的动力学方程。然后通过纵向定常运动,分析建立机械手臂整定控制目标函数,求解机械臂在抓取作业过程中的最佳导引控制律,采用变结构模糊PID控制方法进行运动轨迹的误差修正,实现机械臂自动控制优化。最后通过仿真实验进行控制性能测试,结果表明,采用该方法进行机械手臂运动轨迹控制的精度较高,对机械臂位形变化轨迹的预测准确性较好。     

微机械加速度开关动态特性分析

本文通过建立微机械加速度开关检测质量运动微分方程，利用数值分析方法对开关动态特性进行了分析，从而为微机械加速度开关的动态设计提供了理论依据。     

自动充电机械臂的运动学分析和样机研究

为有效解决电动车辆自动充电机械臂定位精度与运动稳定性的问题,本文采用ADAMS仿真软件系统对创建的机械臂三维模型展开运动学仿真,再根据D-H方法创建机械臂运动学模型,基于运动学模型,采用蒙特卡罗法分析自动充电机械臂的工作空间,并进行仿真与实验分析。研究表明,本次设计的机械臂结构方案具有可行性,且该机臂的运动轨迹合理。通过分析机械臂工作空间,明确自动充电机械臂能够提供充电服务的区域范围,经实验验证,该机械臂的充电工作空间精准。实验分析表明,自动充电机械臂的运行稳定性与驱动性能良好,有效控制加工装配与电机转速误差,有助于进一步提升机械臂的定位能力。     

基于张拉整体结构的连续型弯曲机械臂设计与研究

为实现对目标物体的缠绕捕获，利用张拉整体结构质量轻、变形大等特点，提出一种基于张拉整体结构的连续型机械臂的设计．本文首先设计连续型机械臂的结构，建立其力学模型．通过准静态和动态分析，对不同驱动形式下的连续型机械臂运动进行仿真，并在实验平台上验证所建力学模型的准确性，最后分析了其工作空间及奇异位姿．实验结果表明本文设计的连续型机械臂可以实现弯曲缠绕变形，满足对不同大小物体进行缠绕捕获的需求．     

基于STM32的果实收获机械臂运动控制系统研究

为了实现果实的收割,设计了一种基于STM32处理器的机械臂运动控制系统。该系统以STM32F103微控制器为核心,完成机械臂运动控制模块的设计;利用D-H参数法研究分析多关节机械臂的正、逆运动学问题,建立机械臂的运动学仿真模型,并实现机械臂平面作业轨迹跟踪仿真,验证其运动学正逆解的正确性。基于PC+STM32运动控制模块,控制实现机械臂的运动轨迹跟踪,利用机械臂完成运动控制实验。实验结果表明该控制系统能够实现果实收割。     

基于人机交互的机械臂位姿自动监视系统设计

为了提高机械臂位姿自动监视和控制能力,提出一种基于人机交互的机械臂位姿自动监视系统设计方法,系统设计包括机械臂的位姿自动控制算法设计和系统硬件设计两部分,采用粒子滤波位姿跟踪方法进行机械臂的动态定位位姿参数信息采集和融合处理,在动态和静态环境下,结合加速全局定位方法进行机械臂位姿自动监视的人机交互设计,构建机械臂人机交互的动态定位控制模型,采用自适应位姿跟踪方法实现对机械臂的位姿自动监视,通过捕捉未知目标的质量特性参数,实现机械臂的位姿自动监视和人机交互设计。通过DSP和嵌入式ARM实现对机械臂位姿自动监视系统的硬件设计。测试结果表明,采用该方法进行机械臂位姿自动监视的自动化水平较高,智能性较好,提高了机械臂的位姿自动监视和控制能力。     

Parametric design optimization of 2-DOF R–R planar manipulator—A design of experiment approach

This work illustrates simulation approach for optimizing the parametric design and performance of a 2-DOF R–R planar manipulator. Using dynamic and kinematic models of a manipulator different performance measures for the manipulator are obtained for different combination of parameters with effect of noise incorporated to imitate the real time performance of the manipulator. A novel approach has been proposed to model, the otherwise difficult to model, noise effects. The data generated during simulation for various parameter combinations are utilized to analyze the statistical significance of kinematic and dynamic parameters on performance of manipulator using ANOVA technique. The parameter combinations, which give optimum performance measures obtained for different points in workspace, are compared and reported.     

空间机械臂地面竖直方向重力补偿控制系统设计

为解决大型空间机械臂地面微重力模拟实验问题,设计了一种3维主动悬吊式重力补偿系统.系统主要由水平2维直线运动单元与竖直重力平衡吊挂单元组成,在竖直方向上通过恒张力控制思想实现微重力模拟,并给出了带负载的伺服电机的数学模型.提出一种基于模糊PID(比例―积分―微分)参数整定的力/位混合控制方法,并研究了在未知负载干扰、系统干扰以及机械臂不同运动速度下控制器的控制性能.仿真实验结果表明,该控制方法能够将重力补偿精度保持在0.3%F.S(全量程)之内,使得系统具有较强的鲁棒性和动态响应能力.     

Dynamics and control of a novel 3-DOF parallel manipulator with actuation redundancy

This paper deals with the dynamics and control of a novel 3-degrees-of-freedom （DOF） parallel manipulator with actuation redundancy. According to the kinematics of the redundant manipulator, the inverse dynamic equation is formulated in the task space by using the Lagrangian formalism, and the driving force is optimized by utilizing the minimal 2-norm method. Based on the dynamic model, a synchronized sliding mode control scheme based on contour error is proposed to implement accurate motion tracking control. Additionally, an adaptive method is introduced to approximate the lumped uncertainty of the system and provide a chattering-free control. The simulation results indicate the effectiveness of the proposed approaches and demonstrate the satisfactory tracking performance compared to the conventional controller in the presence of the parameter uncertainties and un-modelled dynamics for the motion control of manipulators.     

Analysis and Experiments on the Force Capabilities of Centripetal-Force-Actuated Microrobotic Platforms

This paper studies the capabilities of a microrobotic platform, driven by vibrating motors, to generate and impart micromanipulation forces of desired type and magnitude. First, an analysis is carried out on the nature of the actuation forces of the motion mechanism of the platform. The results demonstrate that the oscillating nature of these forces does not allow their direct use for micromanipulations. Consequently, further analysis is conducted to identify the conditions, under which the platform's actuation forces can be exploited for micromanipulations. To this end, a dynamic model of a single-dimensional pushing operation is developed, comprising the dynamics of the platform, the manipulator and the object. It is demonstrated by simulation that the forces imparted on the manipulated object depend on the physical parameters of the platform-manipulator system. Accordingly, a set of nonlinear equations involving platform-manipulator system parameters, is formulated that describes the conditions for developing micromanipulation forces of appropriate type and magnitude. The solution of this set of equations yields a range of parameter values, which are used as guidelines in the design and construction of a manipulator that is capable of applying smooth and controllable forces to manipulated objects. Using the parameter values suggested by the developed analysis, a needle type manipulator, appropriate for force feedback applications, is designed, built, and mounted on an experimental prototype of the microrobotic platform. Using this manipulator, experiments demonstrate the force capabilities of the microrobotic platform and verified the analytical and simulation results.     

Non-holonomic Path Planning of a Free-Floating Space Robotic System Using Genetic Algorithms

In this paper, the non-holonomic characteristic of a free-floating space robotic system is used to plan the path of the manipulator joints, by whose motion the base attitude and the manipulator joints attain the desired states. Here, we parameterize the joint trajectory using sinusoidal functions, whose arguments are high-order polynomials. Then, we define the cost function for optimization according to the constraint conditions and the accuracy of the space robot. Finally, genetic algorithms (GAs) are used to search for the solutions of the parameters. Compared with others, our approach has advantages as follows. (i) The motion of the manipulator and the disturbance on the base are practically constrained. (ii) The dynamic singularities cannot affect the algorithm since only the direct kinematic equations are utilized. (iii) The planned path is smooth and more applicable for the control of the manipulator. (iv) The convergence of the algorithm is not affected by the attitude singularity since the orientation error is represented by quaternion, which is globally singularity-free. The simulation results of the spacecraft with a 6-d.o.f. manipulator verify the performance and the validity of the proposed method.     

受时变约束柔性臂鲁棒RBF神经网络力/位置控制

研究了受时变约束的柔性臂系统，建立了分布参数模型，通过奇异摄动方法将该模型划分为表征系统刚性运动的集中参数子系统和表征系统振动的分布参数子系统．设计了集中参数子系统的鲁棒RBF神经网络力／位置控制算法和分布参数子系统的鲁棒自适应振动抑制控制算法．理论分析及仿真结果验证了该方法的有效性．     

多移动机械臂系统动力学建模以及稳定性分析

随着社会生产力的发展和发展需求的提高,移动机械臂凭借着自身优势,受到学术界和工业界的广泛关注.但在许多工作场景下,单个移动机械臂有着自由度数以及载荷的限制,无法顺利完成任务.为了更好地满足任务需求,多移动机械臂系统应运而生.在上述工业背景下,本文建立了多移动机械臂系统的动力学模型,并针对该动力学方程进行了稳定性分析.首先通过拉格朗日方程建立单个移动机械臂的动力学方程,将多体动力学软件仿真结果同动力学模型数值计算结果进行对比,验证了模型的正确性.随后联立多个移动机械臂的动力学方程和操作对象的动力学方程,得到封闭形式的多移动机械臂系统的动力学方程.再利用关节位置误差和速度误差设计李雅普诺夫函数,通过反步法获得了关节力矩的控制律.最后在多体动力学软件仿真中,察看轨迹是否能跟踪上期望信号来检验控制律的有效性.     

失重环境下可控柔性臂的模态特性

在非重力场中,考虑控制器动态反馈的影响,对存在控制器定位约束的柔性臂系统进行动力分析,研 究其在相对平衡位置的模态特性．以具有柔性关节和弹性臂杆的可控柔性臂为研究对象,分析了控制器作用下的反 馈约束特性,将控制器位置和速度增益引入力边界条件,得到了耦合控制器参量的模态特征方程,证明了反馈约束 的存在使得系统特征频率为复频率,且模态主振型是复变函数．通过数值仿真,明确了可控柔性臂的模态特性与控 制器增益之间的关系,得到了不同于经典振动理论的结论．设计了可控柔性臂的仿失重实验平台,试验模态结果证 明了理论分析的有效性．     

基于最小二乘法的桥式起重机机械臂关节控制系统设计

机械臂关节控制过程存在姿态误差,提出基于最小二乘法的桥式起重机机械臂关节控制系统设计;设计机械臂总体架构,达到级联组成末端位姿目的,使用全驱动灵巧手,包含1手掌和3手指,采用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩,借助AT89C51单片机设计电路结构;采用最小二乘法构建机械臂的响应面模型,通过H-D参数法计算机械臂末端运动关节间位姿误差,建立误差模型,利用DETMAX算法分析运动参数,实现最小姿态选取,将机械臂运行速度数据记录在控制系统平台中,根据机械臂运行速度信息获取其均匀性控制状况,实现控制;激光测振仪的输出单位为1 mm/V,柔性机械臂的振动周期200ms,训练样本集大小为300,测试集样本大小为100,实验结果可表明,该方法机械臂关节运动拟合度与实际情况基本一致,位置跟随误差见效时间需要0.05～0.2 s,之后位置跟随误差便能够保持在较小的范围之内.