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。     

最优输入整形抑制柔性机械臂的残留振动

研究机器人柔性机械臂末端残留振动的抑制,给出两自由度柔性臂的动力学方程设计了最优输入整形器,并将其应用到柔性臂的运动,抑制柔性臂末端残留振动,通过实验对比与分析,结果表明最优输入整形能够有效地抑制机械臂末端的残留振动,且引入系统的时滞时间更短.     

柔性定位平台的瞬态动力学分析及疲劳寿命分析

为提高超高加速度宏微运动平台完成定位工作时的安全性和精确性，以宏微运动平台的关键部件柔性定位平台为研究对象，探究宏微运动平台在微定位工况下对柔性定位平台疲劳寿命的影响。利用SolidWorks建立柔性定位平台的三维模型，在ANSYS Workbench进行静力分析和瞬态动力学分析，获得柔性定位平台危险点的位置及疲劳分析所用载荷谱。运用Goodman曲线评估方法对平台进行疲劳评估，得出的数据均在Goodman曲线框内，评估结果合理。最后利用nCode计算柔性定位平台的疲劳损伤和疲劳寿命，得出随着驱动频率的增加，柔性定位平台的疲劳寿命在降低的结论。研究结果对超精密定位平台的研究提供了参考。     

超高加速度宏微运动平台连接臂的疲劳寿命分析研究

宏微运动平台连接臂是宏微运动平台的关键部件,其工作寿命影响着宏微运动平台的使用时间与定位精度。联合SolidWorks、ANSYS Workbench和nCode DesignLife对连接臂进行有限元仿真。通过SolidWorks建立连接臂的三维模型,导入到ANSYS Workbench中进行静力分析、模态分析和瞬态动力学分析,获得危险点的位置、固有频率、振型、应力和变形随时间变化曲线以及疲劳载荷谱数据。将瞬态动力学分析结果和载荷谱数据导入到nCode DesignLife中进行疲劳评估,得到连接臂疲劳寿命和疲劳损伤结果云图。结果表明：连接臂危险点主要分布在连接臂右端的脖颈处;在工作中,宏微运动平台连接臂不会与音圈电机发生共振现象;连接臂危险点处的最低寿命为1.047×10¹⁴次。     

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。     

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。     

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。     

自动充电机械臂运动学分析与样机试验

为了解决电动汽车自动充电过程中机械臂运动的稳定性以及定位精度的问题,利用ADAMS仿真软件对所设计的机械臂进行运动学仿真;根据D-H方法建立了机械臂运动学模型,通过蒙特卡洛方法分析了该机械臂的工作空间,利用MATLAB对机械臂工作空间进行求解,得到自动充电机械臂末端工作空间点云图。根据所设计的机械臂进行样机研制,并进行机械臂样机试验。结果表明,自动充电机械臂结构可行,运动合理,能够满足自动充电工作时的功能需求。该文的研究为机械臂的优化设计与运动控制提供了参考。     

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。     

基于渐开线球形齿轮传动的火星采样柔性臂设计

以火星车车载采样机械臂为工程背景,提出了一种利用新型渐开线球面齿轮传动且具有多自由度的柔性臂。该柔性臂由驱动单元、转向单元、臂展单元、末端执行单元组成。其中臂展单元由5对球形齿轮串联而成,转向单元由两个推力杆及球面副组成,末端执行单元为样品夹取执行器。柔性臂采用无线控制驱动方式,实现了全方位的偏摆运动,具有轻量化、运动灵活等特点。     

基于优化位姿控制的并联液压机械手跟踪控制研究

针对二自由度并联液压机械手控制系统容易受到外界干扰问题,对机械手控制系统输出误差进行研究。结合机械手平面简图分析了并联液压机械手工作原理,推导出机械手运动学和动力学方程式。引用模糊PID控制系统,采用差分进化算法和前馈补偿方法对模糊PID控制系统进行优化,将优化后的控制系统通过MATLAB软件进行误差仿真,同时与模糊PID控制系统输出误差进行比较和分析。仿真误差显示：在无干扰环境中,优化前和优化后的二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,其运动位移和角位移输出误差差别不大,跟踪效果较好。在有干扰环境中,优化前二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,运动位移和角位移输出误差较大,而优化后二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,其运动位移和角位移输出误差较小。采用差分进化算法和前馈补偿控制方法,能够抑制外界信号波的干扰,提高二自由度并联液压机械手的跟踪精度,其控制效果较好     

基于线性变参数控制的机械臂追踪误差仿真研究

针对目前机械臂在使用控制器时,存在轨迹追踪误差较大问题,设计了机械臂线性变参数控制方法,并且对追踪误差进行仿真验证。构造了两关节机械臂运动简图,建立机械臂刚体动力学数学模型,引入动力学参数的线性组合,推导出线性变参数模型。设计出机械臂的线性变参数控制器,采用Matlab/Simulation软件对控制器的轨迹追踪误差进行仿真。同时,与其它控制器的机械臂轨迹追踪误差仿真结果进行比较和分析。仿真结果显示,采用线性变参数控制器实际输出运动轨迹与理论期望运动轨迹更接近,运动比较平稳。采用线性变参数控制可以提高机械臂运动轨迹的追踪精度。     

偏置式空间机械臂关节角参数化逆运动学求解

针对偏置式空间7自由度(DOF)冗余机械臂,提出了一种基于关节角参数化的运动学求解方法。根据空间机械臂的结构特点对其臂型进行了分析,采用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立空间机械臂坐标系。采用D-H法对空间机械臂操作空间进行了描述,在考虑运动学约束的基础上,得到了以关节角为变量的正运动学模型。通过分析逆运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解了该类机械臂逆运动学的完整解析解。在Matlab环境下,使用Matlab Robotic Tools对机械臂的初始姿态进行了仿真。通过给定的机械臂末端位姿,根据推导的逆运动学算法对空间机械臂各个关节的角度进行了求解。机器臂的运动学逆解算将作为机器臂运动规划和轨迹控制的基础。     

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。     

基于五次B样条的机械手关节空间平滑轨迹规划

为实现机械手作业轨迹平滑,关节轨迹的速度、加速度、加加速度保持连续,起始和停止的速度、加速度和加加速度可以任意配置,采用5次B样条曲线插值方法构造关节轨迹。推导了B样条曲线插值轨迹算法;通过VC++6.0开发平台,基于MFC框架类和OpenGL图形库仿真出机械手的运动过程,并绘制出各关节的位置、速度、加速度时间曲线图。仿真结果表明,该方法使机械手关节调整平滑且运动平稳,运动性能显著优于传统的三次样条轨迹规划。     

采用混合算法优化的3?P RRR并联冗余机械手驱动力矩研究

为了降低平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩,提高机械手运动平台运动的稳定性,采用混合算法优化机械手运动参数,并对驱动力矩进行仿真验证。针对传统非冗余机械手驱动系统进行改进,给出了平面3-PRRR并联冗余机械手简图,设计了冗余机械手驱动系统,采用雅克比矩阵对冗余机械手运动平台运动轨迹进行转换,推导出冗余机械手3个分支闭环运动轨迹方程式。引用粒子群算法并进行改进,添加了遗传算法中交叉和变异操作,设计出了混合粒子群算法。采用混合算法优化冗余机械手运动参数,通过MATLAB软件对冗余机械手3个分支驱动力矩变化进行仿真,与优化前进行对比。结果显示:优化前,平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩较大,整体波动幅度较大;优化后,平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩较小,整体波动幅度较小。采用混合算法优化平面3-PRRR并联冗余机械手运动参数,可以降低机械手驱动力矩,减少冗余机械手运动系统能量消耗。     

基于双模同步预测的机械臂末端轮廓精确跟踪控制

为减小机械臂末端在进行轨迹跟踪运动时的轮廓误差,提出一种机械臂轮廓误差同步预测控制策略。该策略将操作空间轮廓误差映射到关节空间,从而定义机械臂各关节的同步行为,有效减小了末端轮廓误差,提高了机械臂各关节的运动协调性。为解决常规预测控制器不能保证系统稳定的问题,提出双模同步预测控制方法,通过在预测时域外切换到局部控制率来保证控制器的稳定性。实验结果表明:所设计的控制器能有效减小末端轮廓误差并使关节输出力矩更加平稳。     

机械臂自适应神经网络控制虚拟实现

针对机械臂自适应神经网络控制效果不能直观显示的问题,在深入研究各种虚拟仿真,可视化仿真方法的基础上提出了一种基于ADAMS和MATLAB的虚拟样机联合仿真方法.采用该方法对三自由度机械臂进行动态仿真,首先在ADAMS中建立机械臂模型,然后在MATLAB中实现自适应神经网络控制器和机械臂终端轨迹的设计,最后进行联合仿真.仿真结果非常直观地显示了机械臂的动态控制过程和控制器各参数的实时变化情况,验证了该方法的有效性,为机械臂的复杂控制算法的仿真研究提供了新的有效方法.     

冗余度机械手逆运动学果蝇优化算法的改进

逆运动学问题是冗余度机器人运动控制、轨迹规划和动力学分析的基础,也是机器人学中最重要的问题之一。以末端执行器位姿的误差最小为优化目标,建立适应度函数,将求解冗余度机械手的逆运动学问题转化为一个等价的优化问题,在优化算法的基础上通过杂交变异果蝇优化算法(HMFOA)进行冗余度机械手逆运动学问题的求解。采用嗅觉搜索杂交突变机制和视觉搜索的动态实时更新机制,有效解决果蝇优化算法(FOA)的收敛问题,并提高算法的收敛速度。为进一步验证HMFOA的有效性,在七自由度机械手上对HMFOA进行了测试,将其结果与FOA、LGMS-FOA和AE-LGMS-FOA等算法进行了比较,证明HMFOA能有效地解决冗余机械手的逆运动学问题。