一种平地楼梯两用助行机器人的建模与仿真分析

为解决老年人和残疾人出行不便的问题,提出了一种平地楼梯两用的助行机器人设计方案,采用轮足式结构实现爬楼梯功能.用R.Morales方法进行正、逆运动学分析,计算出机器人质心及各关节位移轨迹.用RobersonWittenburg方法推导出系统的动力学方程,将逆运动学解代入动力学模型中求得各关节所需的驱动力矩.同时在ADAMS中建立虚拟样机模型,进行运动学和动力学仿真,得到的机器人质心位移轨迹和各关节驱动力矩与MATLAB的计算结果一致,验证了设计方案的可行性和理论推导的正确性.     

基于 SIMULINK 的灌装臂动力学分析

根据拉格朗日方程,建立了灌装机械臂的动力学方程,再通过 MATLAB/ Simulink 仿真计算了各关节的力矩曲线。 由分析结果可知,选用的驱动装置满足使用要求。 建立了灌装臂的三维实体模型,导入 ADAMS 中进行了动力学仿真分析。 仿真结果表明,理论分析结果正确可靠,可为灌装机械臂的设计提供理论依据。     

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。     

六自由度空间柔性机械臂的动力学分析与仿真

突破了仅对两自由度平面柔性机械臂进行研究的传统,而对多自由度空间柔性机械臂进行动力分析。用假设模态法表示臂杆柔性,并将变形量融入D-H坐标系,通过对机械臂末端的轨迹规划得到刚性运动学的逆解。运用Kane方法对多自由度的空间柔性机械臂进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程,采用较高精度的四阶龙格-库塔法对动力方程进行积分求解。给定一个六自由度柔性机械臂模型,并对其进行数值仿真,验证了臂杆柔性对机械臂的动力响应产生的重要影响。     

六自由度空间柔性机械臂的动力学分析与仿真

突破了仅对两自由度平面柔性机械臂进行研究的传统,而对多自由度空间柔性机械臂进行动力分析.用假设模态法表示臂杆柔性,并将变形量融入D-H坐标系,通过对机械臂末端的轨迹规划得到刚性运动学的逆解.运用Kane方法对多自由度的空间柔性机械臂进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程,采用较高精度的四阶龙格一库塔法对动力方程进行积分求解.给定一个六自由度柔性机械臂模型,并对其进行数值仿真,验证了臂杆柔性时机械臂的动力响应产生的重要影响.     

N自由度柔性机械臂通用的动力学建模方法研究

针对多自由度柔性机械臂动力学建模过程复杂的问题,提出一种适用于N自由度柔性臂刚柔耦合动力学建模的通用方法。该方法基于拉格朗日方程(Lagrange)和假设模态法(ASM),归纳推导得到了N自由度柔性机械臂动力学模型的最简通用符号表达式,根据该建模方法开发了"N-DOF柔性机械臂动力学方程符号计算软件";最后以两自由度柔性机械臂为例进行位置跟踪控制实验,用开发的软件自动生成了动力学模型,并搭建了实物模型进行对比验证,结果具有一致性,表明了该建模方法的正确性。与传统建模方法相比,该建模方法可减少90%以上计算时间,极大降低了建模过程的复杂性,同时对多自由度柔性臂动力学建模也具有通用性。     

七自由度双臂协作机器人操作稳定性分析

为了验证七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性，以及提高机器人工作效率和协调性能，提出一种结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法，对七自由度双臂协作机器人的空间运作模式进行分析和计算。首先，在Solidworks中建立七自由度双臂协作机器人的三维模型；然后，运用结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法计算七自由度机械臂的运动学逆解；最后，运用基于虚拟动力学模型的控制方法，仿真七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的夹取与搬运作业，以验证运动学逆解和分析双臂作业的适应性和稳定性。由仿真结果得到：双臂到达目标位置的X向误差为0.6 mm，Y向误差为0.5 mm，Z向误差为0.9 mm；到达预设位置的平均误差为0.5 mm；双臂协同抓取目标物成功率可达99.1%。由此可见，七自由度机械臂的运动学逆解满足预期要求，七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性有所增强。     

姿态受控柔性关节双臂空间机器人的抗力矩饱和控制与振动抑制

研究了漂浮基柔性关节双臂空间机器人载体姿态与机械臂关节协调定位的抗力矩饱和控制与柔性振动抑制问题。利用系统动量守恒定律及拉格朗日方法,给出载体姿态受控柔性关节双臂空间机器人的完全驱动式动力学方程。结合柔性补偿及奇异摄动技术,推导系统相应的奇异摄动模型。为实现双臂各关节柔性振动的有效抑制,针对快变子系统提出一种力矩微分状态反馈控制策略;为避免空间机器人实际载体姿态控制系统及关节驱动电机出现控制饱和问题,针对慢变子系统提出一种姿态、关节协调定位且基于力矩主动约束设计的抗力矩饱和控制方法。数值仿真结果显示,所提控制方案不仅可以完成对系统载体姿态、双臂各关节的精确定位,而且还能有效抑制关节的柔性振动、限制实际控制力矩的输出幅值。     

高速重载码垛机器人动力学仿真

目的 为了实现大重量、大体积木门等板状物品的快速搬运与包装作业,设计一种适用于高速重载条件下的六自由度码垛机器人.方法 针对该机器人,对其关键部件进行选型,通过D-H参数法建立机器人的运动学模型,并进行正逆运动学分析;求取机器人的工作空间,得到机器人所能达到的极限位置,为机器人的布置方案提供参考;运用ADAMS软件建立码垛机器人的动力学模型,对其在将木门进行搬运包装时危险工况进行仿真分析.结果 得到码垛机器人处于最大臂展的危险工况下,大臂所受力及力矩最大,所受力及力矩最大值分别为12.9 kN,13.5 MN/mm.为进一步探究大臂的力学特性将大臂进行柔性化处理,得到大臂的力和力矩波动变化,以及最大动应力点,大臂所受力和力矩波动的最大值分别在z方向及y方向处,最大值分别为621 N,895 kN/mm.结论 机器人各关节所受力和力矩变化无明显突变,所受刚性冲击较少;证明了在高速重载条件下大臂设计的合理性,为机器人结构的进一步优化及轻量化设计奠定了重要基础.     

基于MATLAB的机械臂运动学分析和轨迹规划

目的 研究包装机械臂运动学和轨迹规划,以实现机器臂的平稳运行和精确控制。方法 以六自由度包装机械臂模型为研究对象,采用改进的D–H参数法建立坐标系,推导运动学方程,运用MATLAB搭建机械臂模型并进行正逆运动学仿真,以验证模型的正确性。其次,采用五次多项式插值算法对机械臂关节空间进行轨迹规划。最后,针对包装作业中待包装产品的定点抓取搬运任务进行轨迹规划和仿真。结果 搭建的机械臂模型正确,五次多项式插值法轨迹优化效果好,可保证各关节角度、速度和加速度曲线光滑连续;计算出抓取搬运任务中各关节的关节量,并得到了末端执行器运动轨迹曲线。结论 机械臂能以预期的运动精度完成抓取搬运的动作,为进一步探究机械臂的运动控制和实际应用奠定了基础。     

执行器受限空间机器人的模糊神经网络控制

空间机器人关节执行器输出力矩幅值及幅值变化率受限的情况,是其在太空应用中不可避免要面临的实际问题。为此该文讨论了关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限情况下参数未知空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基空间机器人系统的动力学方程。以此为基础,针对关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限的情况,设计了一种自适应模糊神经网络控制器,以使空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。该控制方案由自适应模糊神经网络控制器及抗饱和参数自适应律构成。首先利用有限差分法将幅值率受限条件转化为幅值受限条件,并与该文预设的力矩受限条件比较以确定每个采样时刻的力矩动态受限范围;然后再通过设计一个抗饱和参数自适应律来确保执行器的输出力矩在动态受限范围内。基于Lyapunov稳定性理论证明了该控制器可确保控制系统是渐近稳定的。仿真对比实验证明了该控制方案的有效性。     

考虑电机绕组特性的柔性机械臂动力学建模

针对柔性机械臂运动中存在的形变现象进行柔性体动力学建模,引入耗散能描述轴承间黏性阻尼,引入关节等效形变描述关节柔性,引入模态假设法描述连杆柔性,引入电机绕组特性描述电机驱动力矩并通过拉格朗日方程建立动力学方程;对模型进行仿真求解,计算出不同传动比和附加重量质心工况下连杆末端的形变,通过对比分析求得连杆末端形变与传动比和附加重量质心之间的关系,为后期机械臂设计优化提供理论基础。     

基于自动包装码垛技术的码垛机器人研究

目的为了更全面地了解码垛机器人的使用性能,使其更好地应用于工程实践中,对其动力学进行理论及仿真分析。方法采用第2类Lagrange方程对工业码垛机器人进行动力学方程计算,并运用ADAMS软件建立工业码垛机器人虚拟样机模型,考虑负载及关节转动时的摩擦,依照码垛机器人的循环工作流程进行仿真分析。结果得出了码垛机器人的动力学方程组,码垛机器人的动力学方程与机器人的负载、部件的结构质量、运动时的加速度等具有正相关关系。仿真得到了机器人工作过程中各个关节的受力曲线图,各关节所需驱动力及力矩随着负载的增加及末端执行器的位置变化而不断增加和变化。结论仿真结果验证了动力学理论分析的正确性,为工业码垛机器人的驱动部件的选型及控制系统的设计提供了有效的理论依据,为工业码垛机器人大范围走向工程应用实践提供了有力的技术支持。     

Kinematics analysis and simulation study of an archwire bending robot

为了满足弓丝弯制机器人高位姿精度和实时响应的要求,提出从几何理论的角度对弓丝弯制机器人的运动进行分析.通过建立几何空间下的弓丝弯制机器人坐标系,基于李群李代数研究了机器人前3个关节构成的位置方程和后3个关节构成的姿态方程;建立了弓丝弯制机器人的动力学方程,计算出了机器人沿规划出的路径运动所需的力矩.以口腔正畸治疗中用到的矫正弓丝形状为目标,采用基于MATLAB函数的仿真分析方法对机器人的位置关节进行了运动学和动力学仿真.仿真结果显示,模型能够较好地跟踪规划出的末端运动轨迹,并且高效地计算出各关节的运动角度与控制力矩,为进一步开发弓丝弯制机器人运动控制器提供了依据.     

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。     

运动状态下柔性关节机器人关节面参数辨识研究

针对柔性关节机器人系统,提出了一种机构系统运动状态下关节面参数辨识的新方法。首先,将机器人柔性关节等效为弹性扭转轴,将应用于结构中的行波分析方法与机器人关节旋转变换矩阵相结合,建立机构系统的波导方程;其次,根据系统各结点力平衡与位移边界条件,建立运动状态下系统环境预测模型,并根据预测出的系统激励以及实验测得的关节扭转角等因素,建立系统振动方程;再次,利用最小二乘法对上述模型进行求解,推导出关节动态刚度和阻尼;最后,以两种不同的运动轨迹驱动3自由度机械臂,对其进行辨识实验研究。实验结果表明,该辨识方法是有效的,为后续系统的动态控制提供了重要参考。     

三自由度并联分拣机器人的动力学建模与仿真

目的 针对自动化生产线上分拣机器人的动力可控性问题,提出一种2UU-UPU三自由度并联分拣机器人,以提高分拣的精度可控性。方法 分析该机器人的机构自由度,以及各参数之间的关系,基于闭环矢量法建立并联机构的运动学逆解模型;利用拉格朗日动力学方程推导该机器人的动力学表达式,并进行数值计算,采用Matlab Simulink和Adams进行动力学联合仿真,对理论值和仿真值进行误差分析。结果 揭示了该机器人动平台的运动规律,得到了驱动力矩曲线,理论值与仿真值的误差较小,3个驱动力矩的最大误差分别为0.379%、0.283%、0.146%。结论 通过验证可知,该机构具有较好的动力学特性,这为后续电机的选型和精准控制奠定了基础。     

机器人关节面参数的行波与神经网络混合辨识方法

针对柔性关节机器人,提出了运动状态下关节面参数辨识的新方法。将应用于结构中的行波分析方法与机器人关节旋转变换矩阵相结合,建立机构系统的波导方程。通过各结点力平衡及位移边界条件,得到系统振动激励,从而建立系统振动模型。利用神经网络对振动模型进行求解,将关节刚度和阻尼作为网络权值,辨识出关节动态刚度和阻尼。对3自由度机械臂进行辨识实验研究,实验结果表明该辨识方法是可行的、有效的。     

基于刚柔耦合的液压挖掘机机械臂非线性动力学研究

为准确描述液压挖掘机机械臂动动力学模型,根据柔性多体动力学理论,采用模态函数描述臂架的弹性变形,利用LAGRANGE定理和虚功原理建立挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程。对已建立的动力学方程利用MATLAB进行数值求解, 运用仿真软件ADAMS及NASTRAN建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并进行仿真分析,通过对比二者结果表明动力学方程建模方法的正确性。运用数值求解的方法进行模态计算和动力学响应分析,求解相关几何参数的一阶固有频率灵敏度,分析了影响机械臂动力学特性的主要模态参数,为进一步研究其结构优化及运动精度控制提供依据。     

码垛机器人刚柔耦合动力学仿真分析

目的以码垛机器人为例,探讨刚柔耦合系统的运动学、动力学仿真分析方法,分析杆件弹性变形对机器人末端运动精度的影响。方法利用Matlab/Robotics工具箱编程,对码垛机器人进行运动学仿真,获取各关节角位移曲线;利用ADMAS建立虚拟样机,对码垛机器人进行动力学仿真;同时,利用Ansys对机械臂等杆件进行柔性化处理,生成mnf中性文件,导入ADAMS中建立刚柔耦合模型进行仿真分析。结果得出了码垛机器人在高速重载运动过程中机械手末端的位移偏差曲线,以及各关节的驱动扭矩。结论刚柔耦合分析方法更加直观、准确地模拟了机器人的实际工作状况,提高了在动载荷作用下对零部件动态响应分析的准确性,为码垛机器人的设计优化及驱动选型分析提供了理论依据。