基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计

针对柔性关节对工业机器人动力学特性的影响,基于“转子-扭簧”模型和有限元法,研究关节刚度对机械臂固有动力学特性的影响规律;考虑臂杆柔性和关节柔性,建立了机械臂多柔体动力学有限元模型,以机械臂轻量化为设计目标,以末端总位移量为约束条件对机械臂结构进行优化。研究结果表明,不同关节刚度对机械臂各阶固有频率的影响不同,优化后的机械臂载重/自重比增大,刚度和强度均得到提高,整体动力学性能明显提高。     

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.     

考虑关节铰隙机械臂末端位姿精度的模糊控制

以空间3R含铰间隙机械臂为研究对象,考虑关节铰隙机械臂末端位姿精度的模糊控制方法。首先,利用D-H坐标变换法建立不含间隙和含间隙的机械臂运动学模型,分析铰间隙对机械臂末端位姿精度的扰动影响;其次,通过所建立的含间隙三维模型并进行运动学仿真,研究其位姿误差大小;再次,基于减小误差提高精度设计模糊控制器,通过角位移来补偿末端位姿误差,从而得出相应的角位移补偿量;最后,采用补偿后的角位移对含间隙模型进行运动学仿真分析,得出其补偿后的位姿误差。研究表明,采用模糊控制方法,机械臂在x、y方向上末端位姿误差明显减小,其控制效果较好,而在z方向上的误差也有所降低,可见,在模糊控制策略下,补偿后的角位移对关节铰隙机械臂末端位姿的精度误差有明显的减小作用。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。       

指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案设计

设计了一种指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案.首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,在速度层上对机械臂建立伪逆算法求解模型;其次,为实现关节速度从指定初始速度连续趋近于执行任务所期望的速度解而在关节速度上加约束函数进行调整;再次,为减少机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差而采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度;最后,将运动规划方案在MATLAB软件上对平面四连杆机械臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂在任务切换过程中的速度跳变,且末端执行器跟踪路径能达到较高的精度.     

指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案设计

设计了一种指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案.首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,在速度层上对机械臂建立伪逆算法求解模型;其次,为实现关节速度从指定初始速度连续趋近于执行任务所期望的速度解而在关节速度上加约束函数进行调整;再次,为减少机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差而采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度;最后,将运动规划方案在MATLAB软件上对平面四连杆机械臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂在任务切换过程中的速度跳变,且末端执行器跟踪路径能达到较高的精度.     

车载液压机械臂的柔性补偿策略研究

针对车载机械臂在重载长行程工作条件下由于机械臂柔性引起的末端定位问题,建立了机械臂的柔性误差模型,将该误差模型引入机械臂末端位姿实时控制中,提出了一种提高末端定位精度的柔性误差补偿策略,从而有效地提高了机械臂的末端定位精度。     

六自由度铣削加工机器人刚度建模及误差补偿

针对铣削加工机器人低刚度特性影响加工精度的问题，对机器人的刚度建模和误差补偿方法进行研究。以ES165D型号的6自由度串联机器人为研究对象，综合考虑机器人关节变形、臂杆变形和臂杆重力对机器人末端变形的影响，建立了机器人整体刚度模型；通过机器人末端受力变形试验，可知末端变形预测值与试验值的平均绝对百分比误差小于15%,证明了机器人刚度模型的有效性和准确性；基于机器人刚度模型对铣削加工过程中的加工路径进行补偿，补偿后加工路径的平均距离误差相对补偿前降低37.39%。     

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。     

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。     

三关节机械臂运动精度的误差分析及补偿策略

针对机械臂重复运动精度差的特点,对导致机械臂运动误差的主要影响因素进行分析。基于D-H坐标系的相关理论建立位置误差模型,对机械臂关节之间的位置误差进行分析。根据D-H参数位置误差,提出误差补偿方案,提高机械臂的运动精度。采用ADAMS软件建立三关节机械臂的动力学模型,通过对各关节的运动特性的分析,讨论在不同外界条件下各关节驱动器的力矩曲线和各关节运动关系曲线的变化,为更深入研究机械臂运动学和动力学问题,以及串联关节机械臂的本体和控制器设计提供了理论依据。     

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模

针对柔性关节机械臂在避障完成后位姿与目标位姿存在一定偏差的问题,提出柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。将五次B样条曲线作为柔性关节机械臂避障路径规划的基础,在避障任务中引入速度修正项,通过关节角和关键点避障速度确定速度修正项取值。建立避障路径自动控制数学模型,利用该模型控制柔性关节机械臂在到达目标位置过程中实现障碍物精准规避,完成柔性关节机械臂避障路径自动控制。实验结果表明,所提方法能够减小位姿误差,平稳关节波动,实际应用效果较好。     

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。     

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。     

柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学与改进奇异摄动控制

采用线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来分别描述基座及关节柔性,并在此基础上经由线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法,建立了姿态受控柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学模型。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合,推导了可分别表示系统刚性运动、基座与关节柔性运动的慢、快变子系统,并提出一种由协调运动慢变控制和基于高阶快变状态观测器的最优控制所组成的改进奇异摄动控制方案。与传统奇异摄动控制方案相比,所提改进控制方案可有效避免对系统高阶快变状态量进行实时地测量和反馈,且可适于具有较大关节柔性的柔性基、柔性关节空间机械臂的控制。仿真实验结果表明了所提方案在轨迹跟踪控制、基座与关节柔性振动抑制上的有效性。     

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。     

柔性空间机械臂系统的双环积分滑模控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了柔性空间机械臂的系统动力学方程,之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。以此为基础,针对慢变子系统———柔性空间机械臂的刚性运动,设计了系统参数未知情况下的双环积分滑模控制方案,以控制柔性空间机械臂的载体姿态及机械臂关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动;而对于快变子系统———柔性臂的振动,则设计了分级模糊控制方案来主动抑制柔性杆的振动。计算机数值仿真证实了该方法的可靠性和有效性。     

基于力矩补偿的机械臂末端振动抑制控制策略研究

在串联型机械臂的控制过程中,因其某些关节上的转动惯量变化快,且机械臂参数复杂等情况,使其关节瞬间力矩变化很大,从而容易引起机械臂末端的振动。提出了一种基于力矩补偿的控制策略,该种控制策略可以有效的实现对串联型机械臂末端的振动抑制。在控制策略中,通过对速度的微分得到关节的加速度信息,同时根据系统测算的转动惯量,得到关节的力矩信息。实验证明,通过对力矩的补偿可以有效的对关节力矩进行补偿。     

区分快慢变子系统的柔性机械臂控制方法

为了提高柔性机械臂控制精度、抑制柔性机械臂末端振动,提出了区分快慢变子系统的组合控制方法。使用拉格朗日方程和假设模态法建立了柔性机械臂动力学方程,利用奇异摄动原理将柔性机械臂系统分解为快变子系统和慢变子系统;鉴于慢变子系统的强非线性和参数不确定性,将反演控制和滑膜变结构相结合,提出了基于反演滑模变结构控制方法的慢变子系统控制;鉴于快变子系统模型不准确问题,而模糊控制对模型精度没有要求,因此设计了快变子系统模糊控制器。经仿真验证可以看出,与传统PID控制相比,机械臂转角最大误差由4.1°下降为0.04°,稳定时间由10s下降为2.5s,末端振动最大值由0.081m下降为0.021m,极大地提高了柔性机械臂控制精度。