考虑关节摩擦的刚柔耦合机械臂末端抖动模拟与分析

为了解关节摩擦对刚柔耦合机械臂末端抖动的影响,解决机械臂的优化设计问题,利用ANSYS、ADAMS软件建立机械臂刚柔耦合模型,并在ADAMS中进行动力学仿真。通过进一步创建考虑关节摩擦的机械臂虚拟样机模型,对机器人末端振动特性进行动态模拟与分析。仿真结果表明：在机器人实际工作过程中,关节2和关节3存在摩擦对机器人末端抖动的影响最显著;在考虑多关节摩擦时,关节2和关节3共同存在摩擦时可使得机器人末端非周期性抖动幅值减弱,且当关节2摩擦因数取0.1时机器人末端抖动表现最弱,但关节3摩擦因数的改变几乎不会引起机器人末端抖动情况的变化。     

双连杆柔性关节机械臂分数阶线性自抗扰控制

针对双连杆柔性关节机械臂的柔性振动和受外部干扰的问题，提出了一种复合控制器的控制策略。通过拉格朗日方程建立了考虑关节柔性的刚柔耦合的机械臂动力学模型，使用奇异摄动法对机械臂系统解耦，使其分解成代表刚性部分的慢速子系统和代表柔性部分的快速子系统；对于慢速子系统，设计了带有前馈补偿的分数阶线性自抗扰控制器来抵抗内外扰动，实现了机械臂的高精度的轨迹跟踪，对于快速子系统，采用微分补偿项补偿，来抑制关节的柔性振动，从而达到系统稳定。实验和仿真结果表明，系统可以有效地实现双连杆柔性关节机械臂的轨迹跟踪，并且相对于整数阶线性自抗扰控制器有着更好的动态性能和鲁棒性。     

考虑柔性关节的刚柔耦合机械臂的优化设计

为了提高刚柔耦合机械臂的运动精度,抑制由柔性关节引起的振动。根据"线性扭簧模型"和有限元法,推导出机械臂柔性关节和杆件的动力学模型,找寻刚柔耦合机械臂关节阻尼参数与末端振动位移的关系。确定关节阻尼取值范围并将其作为设计变量,设计目标为机械臂的末端振幅,进行优化。使用ADAMS对已建立关节阻尼优化设计模型的刚柔耦合机械臂进行优化设计,得到最小振幅时最优阻尼。对比并分析机械臂高速和低速两种工况下的结果,并对机械臂进行附加强迫振动分析。验证了柔性关节对高速和低速机械臂末端运动精度均有不可忽略的影响,为带有柔性关节机械臂抑制振动,提高精度提供理论依据。     

压电柔性臂动力学模型修正研究

建立准确的动力学模型是研究压电柔性臂动力学行为和控制方法的基础和理论依据。传统的动力学建模忽略了柔性臂的结构变化、关节摩擦、结构阻尼和导线因素等的影响。以双连杆柔性臂为研究对象,将双杆柔性臂视为Euler-Bernoulli梁处理,采用假设模态法描述臂的弹性变形,利用拉格朗日方程建立双杆柔性臂动力学模型。对系统模型进行了刚度与阻尼方面的适当修正,并结合MATLAB软件对修正后的模型特性进行分析。实验与仿真结果比较得出:修正后系统的转角曲线线性度更好,并且修正后模型与真实模型的弹性振动变化形式吻合度更高,即系统模型的弹性修正是有效的。     

基于混合摩擦的柔性关节机器人跟踪控制研究

针对柔性与摩擦的存在导致机器人关节跟踪控制效果不理想的问题,考虑柔性与摩擦建立完善的动力学模型,并设计神经网络反演复合控制器。动力学模型中以弹性扭簧模型描述关节柔性,以包含静摩擦、库伦摩擦、黏性摩擦和Stribeck摩擦的混合摩擦模型描述关节摩擦。针对柔性关节的特点设计反演控制器,并在此控制器的基础上以RBF神经网络算法实现摩擦等非线性项补偿。最后通过MATLAB仿真验证所设计控制器的有效性,并分析不同摩擦模型对跟踪精度的影响。实验结果表明:与PD控制器相比,采用所构建的复合控制器缩短了响应时间且减小了跟踪误差。该控制器可以实现柔性关节机器人轨迹的良好跟踪,提高了跟踪控制效果。     

柔性输电线-带电作业机器人刚柔耦合特性分析

输电线路带电作业机器人通过双轮行驶于高压电缆,刚性的机器人系统和柔性的输电线路之间构成了复杂的刚柔耦合系统,特别是在刚性系统和柔性系统的轮线接触处表现出较强的非线性复杂耦合特性。为保障机器人作业过程的稳定性,获取较好的作业动态性能,分别建立了柔性导线、刚性机器人以及柔性导线-刚性机器人的耦合动力学模型。基于该模型,在ADAMS中分几种不同典型工况对带电作业机器人线上作业行为的动力学特性进行了仿真研究。通过仿真特性曲线一方面验证了刚柔耦合动力学模型的有效性,另一方面通过仿真模型得到了合适的机器人动力学参数,从而实现机器人作业优化与控制。最后在带电线路进行现场引流板紧固作业试验,结果也验证了所提出的刚柔耦合动力学模型的工程实用性。     

基于ADAMS和ANSYS的机械臂刚柔耦合运动学分析

针对机械臂的设计要求,设计了一种由两个铰链四杆机构组成的双自由度机械臂,利用ADAMS建立机械臂的刚性体模型,仿真得到不同时刻的运动参数曲线;利用ANSYS建立指定部件的柔性体模型,得到不同阶数的模态频率和模态振型值;利用ADAMS和ANSYS进行联合仿真后,得到机械臂的刚柔耦合模型,仿真结果表明:柔性体模型在z方向发生了微小位移变化,x、y方向位移波动范围增加了10 mm。利用Altium Designer软件绘制控制电路图并进行了实物制作,实验结果表明该机械臂具有广泛的适用性。     

下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合分析与仿真

下肢外骨骼康复机器人的组成连杆在辅助人类运动的时候会因为自身柔性发生弹性变形,会影响到整个行走轨迹的位置精度和控制的实时性与准确性。针对所设计的下肢外骨骼康复机器人,首先通过步态仿真验证模型的正确性,然后建立其刚柔耦合动力学模型。在刚柔耦合动力学模型的基础上,通过ADAMS和ANSYS完成摆动期阶段内的刚柔耦合动力学联合仿真,得到其动态变形误差数据。结果表明：在Y方向、Z方向位移误差和整体位移误差分别在-38～3.6 mm、-7.5～3 mm、-6～14.5 mm内波动,与其他两方面相比,Y方向上的位移误差最大,在误差允许的范围内。验证了下肢外骨骼康复机器人刚柔耦合模型的正确性与合理性,为后续的结构优化和控制系统的设计提供了参考依据。     

单杆柔性机械臂的轨迹跟踪与末端弹性振动复合控制

针对单杆柔性机械臂末端轨迹跟踪和弹性振动抑制的问题,提出了一种基于奇异摄动法的复合控制方法。采用假设模态法和Lagrange方程推导出柔性臂的动力学模型。基于奇异摄动法将柔性臂的刚柔耦合动力学方程分解成慢变(刚性)和快变(弹性)两个子系统。慢变子系统控制器选择滑模控制和PID控制相结合的方法以抑制控制输入引起的抖振,快变子系统则选择LQR最优控制方法以实现简单的线性状态反馈控制律。数值仿真表明:该方法不仅能实现柔性臂的轨迹跟踪,而且有效地抑制了柔性臂运动过程中的弹性振动。并且,采用滑模控制和PID控制相结合的方法设计的慢变子系统控制,能减少普通滑模控制中的输入抖振,具有更好的控制效果。     

含间隙铰的柔性机器人动力学研究

论文将多柔体动力学的建模方法引入柔性机器人的动力学分析中。应用Lagrange方程建立空间刚-柔耦合多体系统动力学方程，采用牛顿二状态模型，对含间隙机器人的副间接触和分离过程，建立了铰接间隙动力学方程。仿真分析结果表明，由于间隙铰的存在。间隙运动副反力呈现大幅度连续波动现象，使整个机器人的稳定性大大降低。而当记入大臂的柔性后，间隙副反力的波动减小，所以，机器人可以通过适当添加弹性补偿单元降低部分副间碰撞时的冲击效应，提高机构运转的稳定性。     

基于套索驱动机械臂柔性伺服系统抑振控制

套索驱动机械臂中的独立关节伺服系统受到时变位姿和关节柔性的影响,会出现振动的问题,进而影响机械臂的运动精度。采用模糊整定的控制策略,通过提高伺服系统的转角控制精度间接的抑制机械臂的振动。首先,根据套索传动原理建立了机械臂柔性关节伺服传动系统的动力学模型,求得系统速度环中负载转速到电磁转矩的传递函数;其次,根据极点配置策略适当选取机械臂位于不同位姿下的比例积分(PI)控制器参数,并应用模糊整定控制策略实现控制器参数的实时调整;最后,通过数值仿真和机械臂控制实验,验证了方法的有效性。结果表明,所提出的控制策略可以更好地抵消转动惯量变化引起的速度波动,从而改善柔性关节的转速输出。     

基于ADAMS的重载液压机械臂动力学建模与仿真

针对七自由度重载液压机械臂,建立精确、高效的重载液压机械臂系统逆动力学模型。利用牛顿-欧拉递推法、Spong柔性关节模型和Stribeck摩擦模型建立机械臂动力学模型;利用Creo完成机械臂三维模型搭建并导入ADAMS分析计算。与试验结果对比,确定系数均大于0.6,与无摩擦纯刚体模型计算结果相比有明显提升,验证了建模方法的准确性。     

柔性关节机械臂的滑模变结构控制

研究一种带有柔性关节的二连杆机械臂的轨迹跟踪滑模变结构控制问题。针对机械臂的非线性、强耦合以及高阶次的柔性关节特性,运用Lagrange方程建立动力学模型,并针对二连杆机械臂设计滑模变结构控制律,实现一种在一定的系统特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动的鲁棒控制,系统可达到更高的控制精度及稳定性。最后基于Sim Mechanics建立柔性关节机械臂仿真模型,并通过实验与仿真验证了该控制算法的有效性与可行性。     

基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计与仿真

基于串联弹性驱动器(SEA)提出了一种三自由度柔顺机械臂的设计方案,用来模拟人手臂的运动,提高其对环境的适应力,实现良好的柔顺性。利用三维造型软件Inventor建立了三自由度柔顺机械臂的三维模型;针对柔顺机械臂关节提出了一种具有拮抗形式的弹性驱动方法,采用主动驱动弹簧和被动约束弹簧构成柔性张拉弹簧组合,以模拟肌肉-肌腱组织的收缩运动;通过动力学仿真软件Adams进行了驱动仿真分析和静动态冲击实验,结果表明在受到冲击时,柔性关节可以产生较大的柔性转角并快速衰减到稳定的运动状态,证明了该机械臂可以有效减小冲击,具有良好的柔顺性。     

机器人柔性关节前馈力/位混合控制策略研究

针对机器人关节柔性引起的轨迹跟踪误差问题和末端执行器残余振动现象,在PD反馈控制律基础上,提出一种基于柔体动力学模型的前馈力矩补偿控制算法和后置多模态自适应输入整形算法前馈力/位混合控制策略。建立六轴工业机器人柔体动力学简化模型,在不附加关节编码器和外设的情况下进行柔体动力学参数辨识,再将动力学模型改写为力矩计算方程,经计算得到前馈力矩并加入控制律中进行补偿;计算前馈力矩所用的期望轨迹需经过输入整形器处理,考虑机器人系统的时变性问题,采用后置多模态自适应输入整形算法对期望输入位移信号进行命令整形,从而抑制末端的残余振动现象。结果表明：所提出的前馈力/位混合控制策略能有效减少轨迹跟踪误差,抑制机器人末端的残余振动现象。     

一种带扭簧的气动安全柔性关节设计

气动元件在工作状态时易发生气体泄漏等安全问题,本文针对以带扭簧的气动柔性关节,设计了使用多个气囊驱动的安全柔性关节,从而可提高该种气动柔性关节在实际使用中的安全性;完成了该种柔性关节的动力学分析;设计了相应的控制系统;并且设计了具有两个该种柔性关节的单根机器人手指.     

基于刚柔耦合建模的6R机器人位置误差分析

由于机器人在工作过程中受运行速度和加速度以及末端负载等因素变化的影响,其连杆和关节产生的形变会引起末端执行器的位置误差,针对这一问题,以FANUC M-6i B机器人为研究对象,采用仿真与试验相结合的方法,对机器人末端位置精度进行研究。运用DH法则建立运动学模型和位置误差模型,分析机器人DH参数发生微小变化对末端位置误差的影响;在ADAMS环境中进行刚柔耦合动力学仿真,在同时考虑关节柔性和连杆柔性的前提下分析运行速度和加速度、末端载荷变化对机器人末端定位精度的影响;通过自主设计的测量装置及变载荷方盒进行试验,试验与仿真结果的对比表明利用刚柔耦合动力学模型模拟计算机器人末端误差具有较好的一致性。     

气动柔性关节的抓取机械手的受力分析

文章提出一种基于弹性波壳伸缩的柔性手指关节，介绍了关节的工作原理，设计了关节的结构、及其抓取机械手。结合受力分析，建立了关节弯曲的角度与弹性波壳内腔的气体压力之间关系的数学表达式与静力分析算法，讨论了关节结构尺寸与临界角度的关系，得出了抓取机械手的抓取力和弹性波壳内腔的气体压力之间数学公式，并进一步根据该模型给出了计算分析示例。柔性关节在结构较为新颖，具有缓冲性好、动作灵敏等特点，适宜用作机器人的末端抓持机构。     

关节非线性的串联双连杆机械臂运动控制研究

各轴上的关节非线性和不同轴间的动力学耦合效应是导致多轴工业机器人轨迹跟踪误差的主要非线性因素。因此,提出一种考虑关节非线性的串联双连杆机械臂模型的工业机器人运动控制方法。通过构造机械臂运动学和动力学模型,将连杆的非线性刚度和摩擦力直接辨识为关节非线性,从而进行参数化建模,通过实验验证了模型的有效性;提出了辨识双连杆动态模型的二自由度控制方案及带可变陷波滤波器的反馈整型控制方案,对机械臂运动进行控制。实验结果表明:与常规PI轨迹跟踪控制方法相比,此控制方案缩短了调整时间且减小了最大路径误差,降低了超调量。研究表明该控制方案能够有效地抑制残余振动,提高机械臂运动稳定性和轨迹追踪精度。     

差动驱动并联机器人设计与运动学分析

基于Stewart并联机器人构型和偏置柔性虎克铰链,利用双螺旋副差动传动的方案设计了一款低成本高精度6-RR-RP-RR构型的6-DOF并联机器人。首先,基于双螺旋副差动传动原理,分别提出了串联和并联两种差动驱动方案,并对柔性虎克铰链进行了设计,确定了最终的整机结构设计方案;其次,对柔性铰链的柔度进行了理论建模,并仿真验证了其柔度和强度设计的合理性;此外,对该并联机器人开展了逆运动学分析,建立了其运动学模型,并采用牛顿-拉普拉森数值迭代方法进行了求解;最后,分别利用多体动力学和Ansys仿真软件验证了整机运动学模型和求解的准确性。