第二章 机器人动力学

机器人动力学的对象是写出描述机器人动力学行为的数学方程,其研究目的是:1)机器人运动的仿真运算,2)设计机器人控制系统,3)设计机器臂的结构。 推导机器臂的动力学方程通常所用的方法有:1)拉格朗日方程法,2)牛顿——欧     

机器人控制基础(四) 第四讲 机器人控制

机器人的控制问题包括:建立机器人的动力学模型和设计使系统满足指标要求的控制现律。一般地讲,机器人臂的运动有两种不同的控制方法。第一、机器人臂从初始位置(姿态)沿着规划的轨迹线运动到希望的目标位置(姿态)上。第二、利用操作手感知     

机器人反向动力学方程的并行计算

以PUMA560机器人的分解牛顿-欧拉反向动力学方程为模型,提出了方程分解的原则,由此得到AOE(Activity On Edge)有向图.以此为基础,按照深度和时差的概念建立了L-W优先表,并导出了一种启发式的调度算法.该算法在微处理机个数一定的情况下,可得到最小调度时间.最后,以Stanford机器人的递推牛顿-欧拉反向动力学方程为例,说明了该算法的有效性.     

质心坐标系的牛顿-欧拉动力学方程

在机器人的运动学和动力学分析中,杆的附件坐标系通常是建立在关节轴线上的.本文采用在机器人各杆的质心建立杆附体坐标系的方法,推导了机器人的牛顿-欧拉动力学递推方程.并以平面两杆机械手为例给出这种方法的结果.     

遥操作机器人自适应模糊控制及跟踪性能研究

为了提高遥操作机器人从操作手对主操作手的跟踪性能,研究了一种自适应模糊控制策略。针对从操作手存在关节摩擦、外界干扰和负载变化不确定非线性因素问题,通过模糊系统逼近的方法,对从操作手的不确定项进行补偿,使从操作手能够快速准确地按照主操作手的轨迹运动。为了减少模糊规则的数量,将动力学方程中的不确定项分解并设计新的控制律,提高了系统的鲁棒性和稳定性。仿真结果验证了该控制策略的有效性,较好地实现了对从操作手的精确遥操作。     

变长度柔性双足机器人行走控制及稳定性分析

针对传统双足机器人模型缺少脚质量和躯干的问题,提出考虑摆动腿动态及躯干影响的柔性双足机器人模型,并对其行走控制及稳定性进行研究。首先,建立系统的动力学模型并采用欧拉-拉格朗日法推导了系统的动力学方程;同时,在弹簧负载倒立摆（SLIP）模型的基础上添加刚性躯干、脚质量及采用变长度伸缩腿,充分考虑躯干及摆动腿动力学对机器人行走步态的影响;其次,设计基于变长度腿的反馈线性化控制器来跟踪目标轨迹,以及调节摆动腿和躯干的姿态;最后,利用Newton-Raphson迭代法和庞加莱映射分析机器人的不动点及轨道稳定性条件,并在理论分析的基础上进行仿真。仿真结果表明,所提控制器可以实现机器人的周期行走,对外界干扰具有良好的鲁棒性,且雅可比矩阵所有特征值的模均小于1,能形成稳定的极限环,证明系统是轨道稳定的。     

N自由度机器人仿真的实现

对N自由度机器人进行了数学建模和仿真研究。构建了N自由度机器人的运动学数学模型,然后基于牛顿欧拉方程建立了机器人的动力学模型。用此种方法建立的模型随着自由度的增加,机器人模型的复杂程度相对其他方法来说增加较慢,迭代速度快。借助Matlab和Simulink强大的计算和绘图能力实现了N自由度机器人的运动轨迹的实时检测、运动学求解、动力学求解、轨迹生成、机械手动态演示等功能,可以用于机器人教学或使用机器人的工业环境中进行仿真演示或实时检测。具有较高的应用价值。     

基于凯恩方法的机器人动力学建模与仿真

研究机器人动力学的目的是多方面的.机器人动力学模型的重要应用是设计机器人,因为动力学方程可以用来精确地算出实现给定运动所需要的力(矩).用凯恩方法对六自由度关节臂式机器人进行动力学方程的推导,可以减少计算步骤,提高计算效率.经过对推导的动力学方程仿真可以找到现场使用机器人第三个臂出现故障的原因,因此在机器人具体设计、轨迹规划、动力学优化以及实时控制中可以代入具体的参数,从而时机器人的动力学性能进行分析,并具有通用性.     

国外机器人仿真技术的研究

本文根据近几年来国外机器人仿真技术研究新动向,简要地介绍了冗余自由度操作手、多操作手机器人系统、机器人弹性动力学、并联式机器人系统的仿真研究情况.并就将 CAD 技术应用于具有运动学、动力学分析综合以及三维动态图形显示功能的通用化机器人仿真系统的问题作了进一步的探讨。     

下肢外骨骼机器人动态建模与步态跟踪LQR控制

针对下肢外骨骼机器人步态轨迹与参考轨迹存在较大跟踪误差的问题,提出一种线性二次型调节器(LQR)控制方法来取代常规PD控制.根据牛顿-欧拉方程和系统参数辨识,建立人机一体化的下肢外骨骼机器人系统的动态模型,并进行LQR控制参数设计和稳定性分析.仿真和实验结果表明,基于LQR控制的下肢外骨骼机器人能很好地跟踪步态参考轨迹,误差比PD控制更小.上述建模方法和控制策略有效,为下肢外骨骼机器人的研究和设计提供参考.     

机器人动力学并行计算

本文综述了并行计算在机器人动力学中的应用.简单介绍了并行计算机的各种结构以及并行算法的一些特点,重点介绍了以牛顿—欧拉方程为动力学初始模型的并行计算任务的调度以及流水线计算,对数递推计算等算法,最后还介绍了一种并行近似计算方法.     

分布式多机器人运动控制的离散事件系统方法

传统多机器人系统的运动控制主要依赖于机器人的动力学方程或运动学方程,通过求解微分方程组来获得机器人的输入控制信号.随着系统中机器人数量的增加和运行环境的复杂化,动力学方程很难描述多机器人系统的运动行为,且无法很好地解决诸如死锁等逻辑故障.本文简略综述了国内外的研究现状,重点介绍笔者所在研究组开展的关于离散事件系统方法在多机器人运动控制方面的应用性研究工作.其动机在于:1)基于离散事件系统方法的运动控制能够有效地解决系统运行过程中产生的诸如死锁等逻辑故障.首先,利用离散事件系统模型对多机器人系统的运动进行建模,从而降低计算复杂性;其次,基于所得离散事件系统模型,设计分布式安全运动控制算法,使各个机器人可以自主地、无碰撞地、无死锁地运动;设计分布式鲁棒运动控制算法,使得失效的机器人对系统的影响最小.2)基于离散事件系统方法的运动控制策略可以结合传统的基于运动学方程的运动控制方法,从而使系统不但能够避免顶层的逻辑故障,而且能够确定机器人执行器的输入信号.     

柔性两轮直立式自平衡仿人机器人的建模及控制

研究了柔性两轮直立式自平衡仿人机器人的动力学建模问题．运用拉格朗日方法和动力学原理建立了柔性两轮自平衡仿人机器人的动力学模型．使用弹簧模仿人的腰椎,并考虑了机器人的柔性腰椎弯曲;这是与以前机器人的不同之处．对得到的动力学模型进行了线性化处理,并建立其状态空间方程;由此建立的动力学模型结构简单,易于对机器人进行有效控制．仿真实验验证了系统的稳定性,对其实验结果进行的详细分析验证了系统建模和LQR控制器设计的合理性和有效性．     

六自由度上肢康复机器人结构设计与仿真

针对现有康复机器人功能单一以及柔顺性不佳的问题,通过分析人体上肢运动中的形态特点,设计了一种六自由度上肢康复机器人结构。该结构能帮助患者完成三个关节的康复运动;同时,肩关节三个自由度轴线交于一点,与人体上肢肩关节轴线相匹配。采用Denavit-Hartenberg (D-H)法,建立了各关节坐标系并推导出运动学方程,并通过计算验证了运动学方程的正确性;然后,运用蒙特卡洛法,计算出上肢康复机器人末端运动空间云图,确定末端空间范围在人体手臂末端运动范围内;最后,利用Adams建立上肢康复机器人虚拟模型,对所建模型进行轨迹仿真。仿真试验验证了上肢康复机器人设计的合理性以及数学模型的正确性,为后续上肢康复机器人的动力学分析奠定了基础。     

四旋翼吊挂变质量负载建模与控制方案设计

针对四旋翼无人机吊挂变质量负载系统中存在负载摆动和外部干扰影响飞行性能的问题,设计了一种基于扩展状态观测器(ESO)和反步控制法相结合,具有内外环结构的控制方案.首先由牛顿-欧拉方程建立了四旋翼吊挂变质量负载系统的动力学模型,建立的四旋翼吊挂变质量负载系统的牛顿-欧拉动力学模型便于理解以及与实际应用相结合;其次在控制方...     

基于微分几何的蛇形机器人移动与操作统一动力学模型研究

蛇形机器人本体是一种多关节串联机构,可以在各种环境中运动,并且当一端固定时可以实现操作.本文提出一种蛇形机器人移动与操作的统一动力学建模方法,统一蛇形机器人移动状态及操作状态的动力学方程.机器人从移动状态到操作状态的转换意味着机构上的重构,即移动状态无固定基座,而操作状态有固定基座.应用虚设机构法在机构学上统一这两种状态(即构形空间中的嵌入关系),利用指数积公式描述这两种状态的运动学方程.在Riemann流形上建立起蛇形机器人移动和操作的动力学模型,并在对动力学模型中各项计算分析的基础上发现机器人操作动力学方程可直接由移动动力学方程退化得到,同时应用子流形的Gauss公式给出证明.由此在微分几何框架下建立蛇形机器人移动与操作的统一动力学模型.按照几何的观点将蛇形机器人移动与操作动力学模型的统一看作是子流形问题,并赋予几何意义.较单独针对蛇形机器人的一种状态(移动或操作)的动力学模型而言,这种统一的动力学模型能够更深刻地揭示蛇形机器人动力学的特征.     

空间机器人运动学和动力学控制

本文介绍空间机器人运动学和动力学控制.空间机器人是由操作手和卫星本体组成,在微小重力场工作(漂浮在空中),其运动学和动力学控制要比地面机器人复杂且有其特点,本文则主要综述它与地面机器人的不同之处及其研究成果,指出了当前的研究方向.     

机器人控制基础(一)

[前言]在高等技术领域内,机器人技术受到世界范围内的重视,每年都有大批科研成果发表。这是一门多科性的综合性学科,它包括自动控制技术,微电子技术,精密机械和计算机科学等多种学科。本讲座仅限于讨论与机器人操作手(Robot Manipulator)控制有关的基础理论部分:机器人运动学、机器人动力学、轨迹规划、机器人控制和编程语言。主要参考文献[1]和[7]。     

多体系统中规则柔性板的离散建模方法研究

把柔性梁的离散坐标法有限段法扩展到规则柔性板中,视柔性板为带关节柔性(刚度、阻尼)的多刚体系统,详细阐述了离散坐标法的基本思想、理论依据,采用牛顿欧拉方法建立了动力学方程.借助通用有限元软件和动力学仿真程序验证了离散坐标法可以解决具有几何非线性变形的规则柔性板构件的多体系统动力学问题.     

一个机器人动力学高效建模软件

本文介绍了一个机器人动力学高效建模软件的设计方法，理论基础及其软件性能。使用这种软件技术能迅速地建立机器人动力学方程，并且所得方程已经得到充分化简，方程的计算性能达到实时控制之水平。