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。     

基于逆动力学的柔性机械臂力学特性研究

为了对柔性机械臂力学特性问题进行深入研究,通过运用机械臂低振动逆动力学和时变模态展开方法,建立单连杆柔性机械臂的动力学模型,将机械臂自激弹性振动模型引入计算模型中,提出最优输入力矩与扰动最优力矩计算方法,并针对关节处不同工作状态进行动力学响应分析,最后根据计算数据建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,柔性机械臂在建模过程中包含非线性项,消除模型线性化误差,给定机械臂结构和运动要求时,可首先算出最优输入力矩,从而对机械臂实现开环控制;通过采用扰动模型,了解柔性作用,算法的收敛性和速度较普通模型有显著提高,结果具有良好的鲁棒性;当关节转动固定后,机械臂端点作谐振动,若振动频率接近机械臂固有频率时,扰动响应发散,反之则为稳态振动;当关节移动固定后,匀速转动,转速小于临界转速时,扰动响应衰减或稳定,反之则发散。     

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。       

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。     

考虑柔性关节的机械转动臂优化设计

本文以柔性机械转动臂为研究对象,在优化总体目标下建立了机械转动臂结构的数学模型,考虑了柔性机械转动臂动态特性和控制策略的函数。建立了以臂厚为变量,以臂结构尺寸为约束的臂弯曲模型和末端垂直静弯曲模型。通过对高速、低速工况下机械转臂的结果进行对比分析,优化后的机械转臂的重量比增大,刚度和强度提高,整体动力性能明显改善。     

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。     

核环境下探测机器人机械臂的结构分析与优化

为了提高核环境下探测机器人机械臂的负载能力,通过动力学分析机械臂关节特性确定优化目标,用有限元软件ANSYS对机械臂臂体危险工况分析并设计优化参数,采用Workbench目标驱动优化分析设计优化实验,对优化结果分析并选取合适的优化参数。优化设计使机械臂两个臂体质量分别减小28.3%和29.5%,分析表明优化设计对机械臂危险工况下静力特性影响很小,符合强度和刚度要求,依据优化方案制作出机械臂样机并测试机械臂负载性能,实验表明机械臂末端负载提高10%,优化后机械臂关节力矩得到改善。     

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。     

考虑含间隙关节的漂浮基空间机械臂动力学输出特性研究

研究关节间隙对漂浮基空间机械臂动力学特性的影响对设计空间站机械臂具有重要意义。采用Lankarani-Nikravesh接触力表达式建立了考虑摩擦的含间隙关节模型;应用Lagrange方程和含间隙关节模型建立了含间隙的漂浮基空间机械臂动力学模型。数值模拟分析了间隙关节数量和不同间隙尺寸对漂浮基空间机械臂动力学输出特性的影响,并定量分析了间隙对漂浮基空间机械臂动力学输出的影响程度。结果表明,两个含间隙关节的耦合作用导致关节接触碰撞力剧烈变化,引起漂浮基空间机械臂的动力学输出更加剧烈;关节的间隙尺寸值越大,漂浮基空间机械臂动力学输出的波动幅值越大,但波动频率会随着间隙值的增大而减小,降低了空间机械臂的运动精度。该研究可为解决多个含间隙关节的漂浮基空间机械臂的高精度轨迹控制问题提供重要的理论依据。     

线驱动柔性臂捕获装置的多体动力学特性分析

以线驱动柔性机械臂捕获装置为研究对象,提出了一种多柔体动力学建模方法,分析了捕获装置抓取目标物体过程中的动力学特性。首先,基于拉格朗日方程和有限元方法,建立多柔体动力学模型;其次,进行计算模型与实物柔性臂运动轨迹和变形状态的验证;最后,通过动力学仿真分析柔性机械臂装置在捕获目标物体的过程中的形态变化,以及驱动力和阻尼比对柔性臂捕获范围的影响。     

Dynamic optimization of robot arm based on flexible multi-body model

This paper examines the effect mechanism of torsional stiffness on flexible joints and the dynamic optimization of a six Degree-of-freedom industrial robot arm. The design optimization of the robot arm is investigated based on the rotor-torsional spring model and finite element method. The flexible multi-body dynamic model of the robot arm are established by considering the flexible characteristics of arms and joints, and the natural frequencies of a robot arm are calculated to obtain the torsional stiffness of the flexible joints. Natural frequency results gradually increased with joint stiffness improvement. Using the established dynamic model, the topology optimization on the robot arm is carried out by regarding lightweight as design goal and total displacement as constraints. The tare-load ratio and dynamic performance of the optimized robot arm are significantly enhanced compared with the original design model. This research can provide the theoretical basis for the dynamic optimization and upgrade of lightweight robot arm.     

轮式移动宜人机器人可变刚度腰部机构设计

轮式移动宜人机器人是一个仿人机器人技术研究平台,它由正交轮式移动平台、腰部、双臂、躯干及头部组成。仿人机器人腰部的构成对其运动学、动力学性能起着重要的作用。分析了目前仿人机器人腰部机构存在的问题,提出了一种具有可变刚度特征的仿人机器人腰部设计方案。设计方案使仿人机器人具有良好的柔顺性,提高了机器人与人协作时的安全性、稳定性和抗干扰能力。着重分析了腰部机构的运动学、动力学以及可变刚度特性。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

欠驱动柔性机器人动力学建模及仿真

根据欠驱动机器人的结构特点，以柔性多体系统动力学理论为基础，采用便于实时控制的假设模态方法，建立了具有柔性杆件的欠驱动机器人的动力学模型。对动力学模型的求解进行了分析，讨论了被动关节处模态函数各种边界条件的确定。通过对二自由度欠驱动机器人被动关节的位置控制，实现对柔性杆的弹性变形及其变化的仿真分析，所得结果验证了假设模态方法动力学模型的有效性，反映了不同驱动器位置系统的振动特性和对系统振动控制的必要性。     

基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究

为了实现机器人的拟人运动,提高其对外部环境的适应性,基于串联弹性驱动器(SEA)驱动形式提出一种仿肌弹性驱动的机器人转动关节,以实现机器人在受迫振动或受冲击下的柔顺自调整运动。该关节机构参考人体肌肉-肌腱组织的Hill-type模型,采用具有对抗形式的主动弹性驱动和被动弹性牵制的设计方案,模拟肌肉收缩运动和功能,产生牵拉力以驱动机器人的关节。通过对该弹性驱动关节进行建模分析,得到其动力学描述方程,结合多次仿真测试中获得的系统运动特性曲线,在掌握其运动规律的基础上完成了其动力学性能评估。此外,针对关节机构具有的强弹性、低刚度特点,提出一种基于虚拟刚度补偿的控制方法,并应用在具有仿肌弹性驱动关节的二自由度机器臂上,实验结果表明其可行、有效。     

一种检测用可变刚度连续型机器人设计

设计一种新型结构的连续型机器人.该机器人以螺旋弹簧为主干,采用线驱动的方式,可实现平面内单自由度弯曲.通过建立机器人运动学模型,得到驱动线位移-柔性关节弯曲角度的对应关系.提出一种通过改变驱动线张力实现连续型机器人变刚度的方案,对柔性关节分别建立力学模型和Adams模型,进行理论和仿真分析,通过实验对所提出的运动学模型...     

Design and experimental study of a passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism

Passive variable stiffness joints have unique advantages over active variable stiffness joints and are currently eliciting increased attention. Existing passive variable stiffness joints rely mainly on sensors and special control algorithms, resulting in a bandwidth-limited response speed of the joint. We propose a new passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism that can be used as the elbow joint of a robot arm. The new mechanism does not require special stiffness regulating motors or sensors and can realize large-range self-adaptive adjustment of stiffness in a purely mechanical manner. The variable stiffness mechanism can automatically adjust joint stiffness in accordance with the magnitude of the payload, and this adjustment is a successful imitation of the stiffness adjustment characteristics of the human elbow. The response speed is high because sensors and control algorithms are not needed. The variable stiffness principle is explained, and the design of the variable stiffness mechanism is analyzed. A prototype is fabricated, and the associated hardware is set up to validate the analytical stiffness model and design experimentally.     

机器人手臂的刚柔耦合建模及摆动模态对比

以机器人柔性手臂为对象,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法将物理坐标变换成模态坐标,对动力学方程进行解耦。参考人体参数,利用ADAMS建立了虚拟样机模型,设计了形函数矩阵。在MATLAB中编写了方程求解算法。对比了ADAMS和MATLAB对柔性手臂转角的仿真。针对碳纤维、铝合金、聚乙烯和聚丙烯4种材质手臂仿真重力作用下的摆动运动,绘出了末端横向变形位移和频谱图;量化分析了变形量和模态。结果表明随着弹性模量与密度的比值增大,手臂固有频率增大,横向变形位移减小;碳纤维材质可近似建模为刚体;碳纤维和铝合金适合做手臂机构;聚丙烯材质刚度和柔顺性较好。     

漂浮基带柔性铰空间机器人的动力学建模及奇异摄动控制研究

探讨了本体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基带一般柔性铰空间机器人的动力学建模与奇异摄动控制问题。结合系统线动量及角动量守恒关系,通过拉格朗日法建立了系统的动力学模型。为解除传统奇异摄动控制技术应用受关节柔性的限制,引入了一种关节柔性补偿器,以等效降低系统各关节铰的柔性。之后借助于奇异摄动理论,先后设计了漂浮基带柔性铰空间机器人关节空间、惯性空间期望运动轨迹跟踪的奇异摄动控制方案。该控制方案无关节柔性的限制,因此较适用于具有一般柔性铰空间机器人系统的控制。理论分析及仿真试验结果均表明控制方法可行。