无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

带闭链的五自由度工业机器人动力学解析模型

提出了一种建立带闭链的工业机器人动力学解析模型的方法。设想将闭式链的某一非主动关节的运动副断开 ,其运动关系用约束方程来代替 ,形成带有附加约束的等效系统 ,然后基于 Kane动力学方程 ,导出了显式形式的动力学方程。并将部分变量处理为符号量 ,其余变量处理为数字量 ,从而获得了动力学解析模型中各模型矩阵元素的数字 -符号表达式 ,并给出一实例进行说明     

基于小波逼近的机械系统非完整运动规划数值方法

机械系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。由于非完整约束的存在,系统的运动控制和规划问题比一般的机械系统要困难得多。机械系统在动量和动量矩守恒且为零的情况下,系统动力学方程可降阶为非完整形式约束方程。基于这样的方程,将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。针对带有非完整约束的机械系统,导出自由漂浮的空间机器人系统非完整运动模型。利用最优控制技术和小波分析方法,在控制输入中引入小波函数逼近,提出一种非完整机械系统运动规划数值方法。将该方法用于自由漂浮空间双臂机器人系统,仿真结果验证了方法的有效性。     

新型过约束并联机构2RPU+UPU动力学模型

提出一种新型的过约束2RPU+UPU机构,该机构的两个RPU分支一共提供了4个约束,但由于机构运动副的特殊布置,其中的两个约束为过约束.机构中的UPU分支为机构提供了一个约束力.建立该机构的速度约束方程,并基于此分析了该机构的自由度.建立该机构的几何约束方程,确立表达机构末端位姿的独立运动参数.导出机构上平台的位姿、速度和加速度耦合关系.求解该机构的运动学反解、速度、加速度,建立机构RPU分支和UPU分支详尽的运动学模型.基于虚功原理和该机构的运动学模型建立该机构的动力学模型,并采用Matlab软件对该机构动力学进行模拟仿真,模拟结果表明理论结果完全正确.所用的方法同样适合于其他过约束并联机构.     

多体系统动力学仿真向后微分公式算法

针对多体系统动力学仿真中需要求解DAEs形式运动方程的问题,提出基于向后微分公式的DAEs算法.将已有的求解指标一3DAEs形式运动方程的NStiff算法推广到求解非完力学整系统指标一2DAEs形式的运动方程;提出了NStiff-v算法,分别求解完整约束多体系统指标一3DAEs和非完整力学系统指标一2DAEs形式的运动方程.离散过程中对约束方程进行缩放,消除了Newton-Raphson方法求解非线性方程组时由于步长较小而存在的Jacobian矩阵病态问题.通过曲柄滑块机构和Snakeboard模型两个实例,比较NStiff算法和NStiff-v算法的结果来验证算法的有效性,并比较了效率.算例说明算法求解DAEs时具有二阶精度.     

磨削机械手约束运动的力/位置混合控制

分析了磨削机械手的运动约束,建立了有约束动力学模型,提出了一种不用力反馈传感器的新型力／位置混合控制方案,并通过仿真验证了该方案的有效性。     

SolidWorks Motion冗余约束和运动算例报错分析

冗余约束的处理是SolidWorks Motion运动仿真的难点之一.机构存在冗余约束时积分器会在计算时自动解除一些约束,从而使被解除约束的自由度上不会计算构件间的作用力,这将导致错误的力的计算(分布).在复杂机构中,积分器将任意解除系统中的约束方程,造成求解时仿真了错误的零件载荷传递路线.冗余约束应在仿真分析前被手动解除,以获得更精确的结果数据.另一个难点是运动算例受冗余约束、积分器时间步长、接触精度等因素影响,计算过程中经常有报错提示而终止计算.目前,针对上述难点的研究很少,因此对其进行了分析总结,以帮助设计者更好地利用SolidWorks Motion软件进行机械系统的运动学和动力学仿真.     

SolidWorks Motion冗余约束和运动算例报错分析

冗余约束的处理是SolidWorks Motion运动仿真的难点之一.机构存在冗余约束时积分器会在计算时自动解除一些约束,从而使被解除约束的自由度上不会计算构件间的作用力,这将导致错误的力的计算(分布).在复杂机构中,积分器将任意解除系统中的约束方程,造成求解时仿真了错误的零件载荷传递路线.冗余约束应在仿真分析前被手动解除,以获得更精确的结果数据.另一个难点是运动算例受冗余约束、积分器时间步长、接触精度等因素影响,计算过程中经常有报错提示而终止计算.目前,针对上述难点的研究很少,因此对其进行了分析总结,以帮助设计者更好地利用SolidWorks Motion软件进行机械系统的运动学和动力学仿真.     

基于物理属性的虚拟装配过程

针对虚拟装配系统中存在仿真程度不够高的缺点,提出基于物理属性的虚拟装配过程研究。通过分析虚拟装配过程对零部件物理属性的需求,建立零部件物理属性模型,给出确定零部件各物理属性以及自由运动状态的方法,分析碰撞响应对运动状态的影响。研究虚拟装配系统中装配对象间的交互过程,使用多刚体系统动力学分析方法对零部件装配过程中的动力学以及运动学进行分析,给出装配对象的运动学与动力学方程。通过把抽象的约束关系转换为基本约束方程表达运动副约束,并把运动副约束用于装配对象的运动分析。提出基于碰撞与静力学的稳态分析方法研究零部件达到稳定状态的条件。应用实例表明上述方法有效可行。     

带闭链六自由度工业机器人动力学解析模型

提出了一种建立带闭链工业机器人动力学解析模型的方法。将闭链的某一非主动关节的运动副拆开，其运动关系用约束方程来代替，从而形成带有附加约束的等效开链系统，然后基于Kane动力学方程，导出了显式形式的动力学方程。推导解析模型时将部分变量处理为符号量，其余变量处理为数字量，获得了动力学各模型矩阵元素的数字一符号表达式，并给出一计算实例。     

快速反射镜驱动形式对伺服带宽的影响

为了提高大行程快速反射镜系统的伺服带宽,提出一种直线驱动形式的快速反射镜。该快速反射镜以音圈电机作为驱动器,利用滚珠花键约束驱动器工作方向,将传统的弧线驱动转变为直线驱动。首先,对直线驱动快速反射镜进行了结构设计,重点分析了直线驱动单元的组成形式与特点;接着,从约束条件分析驱动形式对系统伺服带宽的影响因素,并推导两种驱动形式下,快速反射镜在大行程运动时的动力学方程;最后,利用有限元分析得出快速反射镜的机械谐振频率,并通过实验测试对两种驱动形式下快速反射镜的伺服带宽进行了验证。结果表明,在相同的实验条件下,相较于传统弧线驱动形式,直线驱动形式快速反射镜的机械谐振频率由121.8Hz提高至229.9Hz,伺服带宽由40.3Hz提高至75.1Hz,分别提高了88.8%、86.4%,满足快速反射镜在大行程工作状态下的高带宽设计要求。     

大型低速风洞多通道电液伺服阵风发生器协同驱动控制策略研究

为在FL-10大型低速风洞开展飞机模型阵风影响相关试验研究,建立了4通道电液伺服马达驱动的摆动叶片式阵风发生器。4个通道独立控制方式,简化了系统结构,使发生器具备了多频率与多波形阵风模拟能力,但对多通道同步性也产生了更高的要求。针对4通道电液同步伺服控制,提出了一种改进的共反馈同步误差校正控制方案。共反馈同步误差校正控制方案利用主反馈误差来实现对跟踪误差的控制,并通过同步误差完成马达控制系统的反馈补偿,以达到更高的同步控制精度并提升运动性能。通过仿真和试验验证了同步控制算法的有效性。风洞流场校测结果表明:电液伺服摆动马达驱动能力强,动态高,生成的正弦波精度高,研制的发生器在来流风速70 m/s下可稳定工作,叶片最大摆动频率为16 Hz。     

ANALYSIS AND CONTROL OF THE ACTUATOR ROCKING MODE IN A HARD DISK DRIVE

The recording head in a hard disk drive (HDD) is supported by an actuator assembly which is being controlled by a servo system. Structural resonance modes in the actuator impact the performance of the servo system. The actuator rocking mode has been identified as a major contributor to seek settling and hence, affects the servo stability. This paper presents the effect of actuator structure, skew angle and magnetic flux on the actuator rocking mode. A model to show the effect of the actuator rocking mode on the head motion was constructed to study the interaction with the control plant. The analysis was then verified with experiments. Excellent correlation was established between the experimental result and the theoretical model. Although the rocking mode cannot be eliminated, methods to suppress it are proposed based on the findings.     

柔性机械臂结构-控制耦合特征的实验研究

利用柔性机械臂主动控制实验装置以及相应的动力学参数测试系统 ,采用光电编码器、加速度计和应变片分别检测柔性臂的大范围运动、末端振动及驱动力矩 ,对柔性机械臂结构 -控制耦合特性进行了研究。实验结果发现 :1)由于结构与控制系统的耦合 ,改变了柔性机械臂的第一阶振动频率 ;2 )在实现规定运动时 ,不同结构的柔性机械臂的驱动力矩形式明显不同 ;3)柔性机械臂的驱动力矩具有随伺服驱动系统工频的脉动现象。验证了柔性机械臂结构与控制系统之间存在相互作用 ;指出采取结构 -控制一体化设计方法是提高柔性机械臂性能的一个重要手段。     

Modal space three-state feedback control for electro-hydraulic servo plane redundant driving mechanism with eccentric load decoupling

The shaking table based on electro-hydraulic servo parallel mechanism has the advantage of strong carrying capacity. However, the strong coupling caused by the eccentric load not only affects the degree of freedom space control precision, but also brings trouble to the system control. A novel decoupling control strategy is proposed, which is based on modal space to solve the coupling problem for parallel mechanism with eccentric load. The phenomenon of strong dynamic coupling among degree of freedom space is described by experiments, and its influence on control design is discussed. Considering the particularity of plane motion, the dynamic model is built by Lagrangian method to avoid complex calculations. The dynamic equations of the coupling physical space are transformed into the dynamic equations of the decoupling modal space by using the weighted orthogonality of the modal main mode with respect to mass matrix and stiffness matrix. In the modal space, the adjustments of the modal channels are independent of each other. Moreover, the paper discusses identical closed-loop dynamic characteristics of modal channels, which will realize decoupling for degree of freedom space, thus a modal space three-state feedback control is proposed to expand the frequency bandwidth of each modal channel for ensuring their near-identical responses in a larger frequency range. Experimental results show that the concept of modal space three-state feedback control proposed in this paper can effectively reduce the strong coupling problem of degree of freedom space channels, which verify the effectiveness of the proposed model space state feedback control strategy for improving the control performance of the electro-hydraulic servo plane redundant driving mechanism.     

电液力伺服系统的极点配置优化研究

控制系统的性质主要由系统的极点决定,要使电液力伺服系统的动态性能满足设计要求且达到最佳,则系统要有优良的极点.将电液力伺服系统转变为状态方程结构形式、利用分析及仿真得到系统的最佳极点,求出系统极点配制的反馈矩阵、从而对系统的极点实现了最佳极点配置.仿真结果表明,电液力伺服系统实现了最佳极点配置后,系统的动态性能明显提高.     

Novel AC Servo Rotating and Linear Composite Driving Device for Plastic Forming Equipment

The existing plastic forming equipment are mostly driven by traditional AC motors with long transmission chains, low efficiency, large size, low precision and poor dynamic response are the common disadvantages.In order to realize high performance forming processes, the driving device should be improved, especially for complicated processing motions. Based on electric servo direct drive technology, a novel AC servo rotating and linear composite driving device is proposed, which features implementing both spindle rotation and feed motion without transmission, so that compact structure and precise control can be achieved. Flux switching topology is employed in the rotating drive component for strong robustness, and fractional slot is employed in the linear direct drive component for large force capability. Then the mechanical structure for compositing rotation and linear motion is designed. A device prototype is manufactured,machining of each component and the whole assembly are presented respectively. Commercial servo amplifiers are utilized to construct the control system of the proposed device. To validate the effectiveness of the proposed composite driving device, experimental study on thedynamic test benches are conducted. The results indicate that the output torque can attain to 420 N·m and the dynamic tracking errors are less than about 0.3 rad in the rotating drive. the dynamic tracking errors are less than about 1.6 mm in the linear feed. The proposed research provides a method to construct high efficiency and accuracy direct driving device in plastic forming equipment.     

下肢外骨骼负载携行控制方法研究

对人自然行走的步态运动规律进行了5个步态相位划分,并通过人体动作捕获试验获得行走过程中下肢髋关节和膝关节角度变化规律。结合髋关节与膝关节姿态运动规律建立膝关节外骨骼运动数学模型,从理论上分析负载携行系统的运动特性,给出位姿随动控制时的液压缸动态负载参考值。利用伺服阀对液压缸位移进行伺服控制,设计液压缸位移反馈PID控制律,实现携行系统在不同负重、不同位姿变化条件下人机耦合助力随动控制需求。通过重载携行试验表明:外骨骼能够实现50 kg以上人机重载携行,试穿员具有明显的省力效果。     

差动式机电缓冲阻尼系统受轴向力偶时的动力学模型

研究空间对接机构差动式缓冲阻尼系统受轴向力偶作用时的运动学和动力学，找出捕获环角速度与丝杠沿其轴线平动速度的精确关系式，导出系统运动约束方程和动力学方程，并就其简化方程求出解析解。     

采用自适应滑模变结构控制的精冲机双驱动协调控制系统

针对机械伺服高速精冲机在双电机联合驱动过程中运动不协调的问题,提出了一种基于自适应滑模变结构控制的双电机协调运动控制策略。将滑模变结构控制引入伺服电机运动控制中,并利用模糊算法对滑模控制参数进行优化,在提高系统鲁棒性的同时降低抖振。不同于传统动力学分析中将传动系统结构简化为刚体,对精冲机建立了刚柔耦合的传动系统动力学模型。仿真结果表明,提出的控制策略可使主电机在冲压阶段提供冲裁力,使副电机通过肘杆连接实现滑块空程阶段的快速回程,满足精冲机的设计和使用要求。