基于能量模型的柔性关节机械臂参数辨识方法

对关节动力学模型和机械臂能量模型进行了介绍,基于能量模型,提出了柔性关节机械臂参数的辨识方法。这一方法通过建立能量输入与机械臂动力学参数的线性化关系,由最小二乘法实现参数辨识。应用这一方法在六自由度柔性关节机械臂上进行动力学参数辨识试验,验证了方法的有效性。     

一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。     

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。     

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。     

单自由度柔性机械臂刚柔耦合动力学仿真研究

柔性机械臂在刚性旋转的同时自身存在弹性变形运动,其动力学行为表现为复杂的刚柔耦合现象,对机械臂的控制精度和运动稳定性产生不可忽视的影响.为研究单自由度柔性机械臂的刚柔耦合特性,采用了ANSYS和ADAMS的联合仿真方法.基于柔性体建模理论,在ANSYS中建立单自由度柔性机械臂的有限元模型,将模型导入ADAMS中进行动力学仿真.分析了机械臂末端的振动与转速的关系,研究了某一时刻的动应力及其随时间的变化情况.结果表明,该方法适用于柔性机械臂的刚柔耦合动力学特性研究,对柔性机械臂的设计具有重要意义.     

柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展

总结了国内外学者在柔性机械臂建模理论及其相关实验等方面的最新研究进展,系统地阐述了柔性机械臂的变形描述方法、关节动力学建模、柔性机械臂系统的动力学建模方法、臂杆的刚化和软化效应、柔性机械臂实验方法等方面的研究现状,提出了现阶段机械臂动力学理论与实验研究存在的问题与不足,预测了柔性机械臂动力学研究的主要方向和核心技术,详细分析了柔性机械臂最佳模态阶数选取、基于动力学特性的柔性机械臂系统参数优化、关节驱动规律的确定、柔性机械臂在高速运转下刚化与软化效应、柔性机械臂关节精细建模、空间柔性机械臂超低速运行时爬行现象等待解决的关键技术问题。     

基于解耦的柔性关节机械臂振动抑制方法研究

针对多自由度柔性关节机器人手臂残余振动抑制问题,对双杆机械臂关节耦合及振动抑制方法进行了研究,提出了基于解耦的柔性关节振动抑制控制算法。首先,根据拉格朗日方法建立了系统的动力学模型。然后,分析了关节间存在的相互作用力及关节间的相互耦合对机械臂振动抑制的影响。利用模糊补偿控制方法对二自由度柔性关节机械臂进行了模糊解耦,并在解耦的基础上引入零振荡整形器(ZV整形器)对解耦后的各个单关节进行进一步控制,以抑制各臂杆由于关节刚度不足导致的残余振动。最后,通过数值算例进行了仿真,验证了该算法的有效性。研究结果表明,加入解耦环节之后,两杆的相互干扰明显减弱,耦合度明显降低,使该非线性系统近似成为线性系统,再通过零振荡整形器对各关节运动加以优化,使得机械臂的残余振动得到了有效的抑制。     

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。     

气动轻量型机械臂伺服控制系统和碰撞检测方法研究

针对服务型机器人对系统的柔性、安全性提出的高要求,开展了气压驱动轻量型机械臂的伺服控制系统和碰撞检测方法研究。设计制作了二自由度轻量型机械臂样机,建立了机械臂的运动学和动力学方程,对系统的摩擦力矩进行了辨识。采用PID与加速度反馈和摩擦力前馈补偿控制策略,解决了机械臂关节旋转过程中的低速爬行问题。研究了基于被动柔顺控制和动力学方程的碰撞检测方法,实现了机械臂的防碰撞功能,提高了系统的安全性。通过对实验样机的试验测试,验证了机械臂的位置伺服控制策略和碰撞检测方法的有效性。     

6自由度轮式悬架柔性单杆移动机械手动力学研究与仿真

针对6自由度轮式悬架柔性单杆移动机械手(平面)动力学问题进行了系统研究。该轮式悬架柔性单杆移动机械手由2自由度线弹性-阻尼悬架系统的移动载体和4自由度柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面(路面以正弦函数描述)。综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程,并采用浮动坐标法,以矩阵、矢量简洁的形式构建了该轮式悬架柔性单杆移动机械手系统的完整动力学模型。该动力学模型综合考虑了机械手的弹性变形(率)和悬架对整体系统动力学的耦合影响,最后采用数值的方法给出了该动力学模型正解的仿真结果。通过与刚体模型(假定弹性变量为0)仿真结果比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象。     

构件柔性对机器人运动学解的影响分析

以MSC．ADAMS为研究平台,6自由度转动关节机械手为对象,建立了虚拟样机模型,分析比较刚体模型和柔体模型对机械手末端执行器运动学解的差异。为实际的机械手操作,从虚拟样机分析的角度上,提供了一定的参考依据。     

一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。     

一种铆接机械手的运动精度可靠性分析

介绍了一种六自由度工业机器人的运动精度可靠性分析方法。通过分析一种铆接机械手的结构,基于D-H坐标法,建立运动数学模型,并考虑加工和装配过程中尺寸误差和间隙误差的随机性,将结构参数和运动变量误差视为随机变量,建立运动误差模型,结合机构运动学和可靠性理论,构建机械手运动精度可靠性模型。通过算例,验证了该方法的可行性,为该类型工业机器人的可靠性设计和结构优化提供了一定的理论参考。     

柔性机器人系统碰撞动力学建模

讨论柔性机器人与其工作环境发生碰撞时的动力学建模问题。以空间链式柔性机器人为研究系统,该机器人由n杆n铰构成,柔性杆的变形用假设模态法表示。引入冲量势,运用拉格朗日方程推导出柔性机器人系统受外冲击的广义冲量－动量方程。结合碰撞恢复系数方程,进一步推导出两个柔性机器人系统发生碰撞的动力学方程。该方程中碰撞冲量和广义速度增量是解耦的,且适合于计算机程式求解。求解方程能得到因碰撞而产生的系统广义速度突变量和在碰撞点处的碰撞冲量。给出柔性机器人与其工作环境发生碰撞的算例,验证了所提出方法的有效性。     

神光-Ⅲ精密光学模块侧装机械手运动学分析

为顺利将激光聚变试验所需的光学模块安装至主机试验装置中,设计了一种八自由度侧装机器人。通过D-H法建立机器人各杆件的参考坐标系并获得D-H参数,推导出该侧装机器人运动学正解。提出采用关节变量虚化法构建出一个虚拟六自由度机器人,并利用解析法求解虚拟六自由度机器人运动学逆解。基于关节占用空间最小的原则,结合麦夸特算法利用1stOpt软件对关节3和关节4的位置进行求解,进而求解八自由度侧装机器人运动学逆解,并通过实例验证逆解算法的正确性。对运动学分析求解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划,为实现八自由度侧装机器人的轨迹规划及实时控制等提供理论参考。     

基于六自由度机械臂的轨迹规划

针对机械臂运动过程中速度和加速度的运动连续性问题,基于六自由度机械臂关节空间的三次多项式轨迹规划,提出了一种过多路径点的轨迹规划的算法.为保持机械臂运动过程中各关节的速度和加速度的运动连续性,通过时间归一化方法来求解,不仅简化了求解过程,还提高了计算效率.数字仿真结果表明此方法的可行性.     

基于橡胶波纹管的柔性机械手臂设计

柔性连续型机器人,相比离散关节型机器人具有高适应性与安全性的特点。针对多种应用领域,介绍一种使用压缩气体驱动的柔性连续型机械手臂原型机,利用其执行器由柔软材料制造装配而成的特点,它在抓取过程中能更好的保护表面脆弱的物体。使用橡胶波纹管,设计、制造并装配为执行器、执行器组及机械手臂,搭建实验台,建立执行器的伸长量与其内部气压的理论模型并通过实验验证,进一步测试柔性机械手臂的形变及运动性能,实现柔性机械手臂在其运动空间内可按照既定顺序工位操作的功能。结果表明,执行器的伸长量与其内部气压的理论模型准确,基于橡胶波纹管的柔性机械手臂具有较大的弯曲角度与一定的负载能力,可应用于识别与定位或物体的抓取移动等领域。