平面柔性连杆3-RRR并联机器人动力学建模

为了描述包含柔性连杆的平面柔性3-RRR并联机器人的运动学、动力学特性,需要建立机器人的弹性动力学模型.采用一种适用于刚体、柔体混合的复杂机械系统有限元建模方法,通过分析柔性连杆与刚性动平台的运动学耦舍关系,推导出单元弹性广义坐标相对于系统弹性广义坐标的转换矩阵,利用运动弹性动力学理论,建立了平面柔性3-RRR并联机器人的弹性动力学方程.避免了采用运动学、动力学约束方程的弊端,缩小了方程的规模,缩短了计算时间.用SAMCEF软件验证了模型的准确性.计算实例表明,该模型反映了机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人的运动误差具有重要影响.     

柔性连杆的神经模糊逆自适应控制

为了简单、准确的实现对柔性连杆机器人慢子系统的控制,应用了神经模糊动态逆自适应控制原理及其控制器的设计方法,建立了柔性连杆机器人的动力学方程,给出了神经模糊系统的学习算法,并进行了系统的稳定性分析,解决了柔性连杆机器人的慢动力学及机器人慢子系统的逆自适应控制问题.     

基于MATLAB的多连杆机械人动力学方程建立

运用MATLAB软件的符号函数工具箱,编写了用于计算平面任意多连杆机器人动力学方程的程序,以七连杆机器人为例,计算得出七连杆机器人的动力学公式,并作了数值仿真.该方法简便、高效,与现代计算机技术的发展契合,可以实现任意多连杆平面机器人的建模,也为后续的机器人控制提供了参考依据.     

柔性冗余度机器人自运动中的混沌

研究了柔性冗余度机器人的自运动状态，通过将其中的柔性连杆简化为Euler—Bernoulli梁建立了柔性冗余度机器人的运动学模型。运用混沌数值分析法中的相图法、Poincare映射法和最大Lyapunov指数法发现了该类机器人自运动中的混沌现象。对一个未杆是柔性连杆的平面3R柔性冗余度机器人的自运动状态的研究结果表明，基于Jacobian矩阵的伪逆法求解该柔性冗余度机器人采用PD调节器控制其末端重复跟踪工作空间内的一条封闭路径时的运动学逆解，其自运动是混沌的。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人弹性动力响应最优控制

为了改善冗余度柔性机器人的动力学品质,采用了振动主动控制方法。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆,构造了冗余度柔性机器人振动主动控制系统的状态空间表达式。利用独立模态空间控制理论设计状态反馈控制器,获得了压电作动器的实际控制电压,并根据连杆中点的应变信号对系统状态进行了近似估计。最后,以平面3R冗余度柔性机器人为例进行了计算机仿真,其结果证明了这种振动主动控制方法的有效性。     

平面柔性并联机器人动力学建模

利用有限元理论研究柔性并联机器人动力学建模的理论和方法,分析各支链的弹性位移及其耦合关系,建立柔性并联机器人系统的运动约束条件和动力约束条件。综合考虑构件的分布质量、集中质量以及杆件的剪切变形、弯曲变形、拉压变形和横向位移的影响,运用运动弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出平面柔性并联机器人的动力学方程。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

基于目标运动规划的柔性机器人协调操作闭链刚性负载的动力学模型

多个刚性机器人协调操作闭链负载 ,目前已在其运动学方面有了一些研究 ,但在柔性机器人领域中 ,对此问题的研究尚未展开。本文在对闭链负载机构运动微分关系线性化基础上 ,利用有限元法和 L agrange方程 ,推导出柔性机器人协调操作系统的运动学及动力学协调约束条件 ,建立了系统的动力学方程 ,并给出了平面两个 3R柔性机械臂协调操作平面刚性四杆机构完成目标运动规划任务的逆动力学问题的数值算例     

柔性冗余度机器人振动主动控制

采用振动主动控制方法降低柔性冗余度机器人的弹性动力响应。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆 ,建立了离散时变受控系统的状态空间表达式。利用 Bellman动态规划设计 L QR状态反馈控制器 ,并提出了一种状态估计的近似方法。平面 3R柔性冗余度机器人的仿真算例表明 ,采用该方法可以使柔性冗余度机器人的动力学性能得到显著的改善     

柔性机器人的协调操作及其逆动力学控制算法

柔性协调机器人系统是一个含柔性机器人内部各杆之间,运动协调约束条件和动力协调约束条件之间,柔性机器人与负载之间,以及柔性机器人之间高度耦合的复杂非线性系统,无论在动力学建模,还是控制算法方面都要比刚性协调机器人困难得多。通过对刚、柔性机器人协调操作系统本质特性的比较,利用有限元法和Lagrange方程建立了柔性协调机器人系统的动力学模型,并以系统逆动力学任务为目标,提出了通过校正机器人名义刚性运动来达到提高系统位姿控制精度的预测校正控制算法,成功给出了平面两3R柔性臂机器人协调操作刚性负载的仿真算例。     

柔性冗余度机器人随机动态响应主动控制研究

研究了柔性冗余度机器人随机振动主动控制问题。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆，建立了该离散时变动态系统的状态空间表达式。根据最优控制理论，设计了基于Kalman滤波估计的LQG状态反馈控制器。以平面3R柔性冗余度机器人为例进行了计算机仿真，其结果证明了这种主动控制方法的有效性。     

平面柔性3-RRR并联机构自标定方法

平面柔性并联机构具有柔性机构和少自由度并联机构两者的优点,是当前研究的热点之一.提出并验证一种简单、有效的平面柔性3-RRR并联机构自标定方法.从误差建模出发,利用矢量链法推导出标定参数辨识方程.借助静平台上的标准定位圆孔,通过仪器对拉线式编码器(线尺)进行标定,进而利用线尺在线地测量、记录机构运行中的实际位姿,结合数控系统中的理论轨迹,辨识出系统模型误差.根据辨识结果对控制模型进行补偿,使平面柔性3-RRR运动平台轨迹误差得到了明显的减小,有效提高了机构的精度,完成了利用线尺进行机构自标定方法的研究.由于测量工具和建模方法通用性强,且具有在线实际位姿测量能力,该试验研究为平面柔性少自由度并联机构的自标定提供了一种切实可行的解决途径,同时为全闭环控制提供了可行的测量方法.     

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。     

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.     

Maximum allowable dynamic load of flexible mobile manipulators using finite element approach

In this paper a general formula for finding the maximum allowable dynamic load (MADL) of flexible link mobile manipulators is presented. The main constraints used for the proposed algorithm are the actuator torque capacity and the limited error bound for the end-effector during motion on a given trajectory. The accuracy constraint is taken into account with two boundary lines which are equally offset due to the given end-effector trajectory, while a speed-torque characteristics curve of a typical DC motor, is used for applying the actuator torque constraint. Finite element method (FEM), which is able to consider the full nonlinear dynamic of mobile manipulator is applied to derive the kinematic and dynamic equations. In order to verify the effectiveness of the presented algorithm, two simulation studies considering a flexible two-link planar manipulator mounted on a mobile base are presented and the results are discussed.     

空间刚柔性机械臂动力学模型与轨迹跟踪控制

针对双连杆刚柔性空间机械臂建立了非线性动力学方程,运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法,得到刚柔性机械臂部分解耦形式的控制方程。讨论了空间机械臂的轨迹跟踪问题,通过二例数值仿真计算,表明了该方法的有效控制。     

COUPLING EFFECT OF FLEXIBLE JOINT AND FLEXIBLE LINK ON DYNAMIC SINGULARITY OF FLEXIBLE MANIPULATOR

The coupling effect of the flexible joint and the flexible link on the dynamic singularity of the flexible manipulator is addressed. Firstly, the dynamic equations of a flexible manipulator with a flexible joint and a flexible link are derived. Secondly, the relationship and property between the flexible joint and the flexible link are analyzed. It shows that the flexible joint＇s amplitude will increase abruptly, thereby the dynamic singularity occurs if the frequency of a flexible joint is near or equal to some natural frequency of a flexible link. Finally, some numerical simulations which will verify the correctness of the theoretical analysis, are carded out. The results are fundamental for the design of a flexible manipulator and for the avoidance of the dynamic singularity.     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。