欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

欠驱动柔性胸鳍仿生设计及仿真

为了进一步提高咽颌运动模式鱼类胸鳍仿生机构的性能,以实际鱼类胸鳍的结构和驱动控制机理为基础,采用欠驱动技术设计了一套新型的柔性胸鳍仿生机构,建立其运动学和动力学模型,并采用Matlab对其性能进行了仿真分析。从仿真结果来看,所建立的新型柔性胸鳍仿生机构及其运动学、动力学模型是合理、有效的。它不但能够较好的模拟胸鳍的各种操纵运动,而且减少了驱动装置的数量,降低了系统的复杂性。从而为深入研究鱼类胸鳍的推进机理和新型水下操纵工具的设计提供了一定的基础和保障。     

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。     

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。     

非惯性系下弹性欠驱动机器人动力学建模及应用

以旋量为基本运算单元,建立了非惯性系下弹性欠驱动机器人的动力学模型。首先以两个旋量的李括弧运算为基础,得到了惯性系下机器人的加速度映射关系。利用多刚体系统的速度、加速度旋量在不同坐标系之间的变换,推导出非惯性系下机器人在惯性系中的加速度映射关系。然后利用刚体的牛顿-欧拉公式,建立了非惯性系下机器人的动力学模型。推导的过程中始终以运动旋量、力旋量为基本的运算单元,简化了动力学建模过程。最后,以空中加油系统这种典型的非惯性系下的弹性欠驱动的应用为例,建立了其在非惯性系下的动力学模型,并用动力学仿真软件进行了验证,验证了理论分析的正确性和可行性。     

欠驱动机器人研究综述

欠驱动机器人是指控制输入小于系统自由度的机器人,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,目前已引起学者们的广泛关注。重点介绍了欠驱动机械臂在动力学建模、动力学特性、可控性分析、轨迹控制和系统的稳定性、鲁棒性研究等方面的发展现状,并对欠驱动机器人的研究方向进行了展望。     

基于模糊控制的2R欠驱动机器人位置控制

基于模糊控制理论,研究2R欠驱动机器人关节的位置控制问题.在被动关节附加电磁制动器以控制关节间的耦合状态.根据电磁制动器的工作状态,将欠驱动机器人的位置控制分为两个阶段.第一阶段,制动器解锁,利用被动关节加速度与驱动关节转矩间的动力学耦合效应,间接控制被动关节沿预定轨迹运动到预定位置,同时总结模糊控制规则,设计用于控制被动关节运动的模糊控制器.第二阶段,制动器锁定,然后驱动关节运动到预定位置.设计并搭建了基于可编程多轴运动控制卡的试验控制系统.最后通过试验成功实现2R欠驱动机器人关节的位置控制.试验数据表明,模糊控制方法对于机器人被动关节具有较高的位置控制精度,鲁棒性良好,并且不依赖于机器人动力学模型,实时控制的计算量小,体现出智能控制的优越性.     

一种欠驱动多指杆机器人手

提出的欠驱动多指杆机器人手能用直指或曲指方式履行各种工业操作任务。本文描述了三指多指杆手的工作原理,手指位移与力分析,这种手抓取物体的适应性,稳定性,抓力都优于常规手爪,提出的手指结构能减少控制复杂性,重量和成本,并能实现多功能地抓取不同物体的能力。     

基于微分几何的欠驱动机器人动力学建模和控制

应用位形流形最小嵌入模型,对带有二阶非完整约束的欠驱动机器人动力学建模和控制进行研究。采用位形流形最小嵌入模型,简化了动力学方程,为欠驱动机器人动力学建模和控制的进一步研究奠定了基础。首先用一个齐次线性方程组表示被动关节的存在,给出基于嵌入模型的动力学方程解的结构。通过引入计算转矩控制法,给出另一个和主动关节及控制输入有关的齐次线性方程组,分析控制输入和这两个方程组解之间的关系,得到一个与控制输入及这两个方程组的解相关的欠定线性方程组,求解该欠定线性方程组,得到欠驱动机器人改进的动力学方程,进而可以运用全驱动机器人控制法来实现最小嵌入模型的控制,解决了由全驱动机器人控制法实现欠驱动机器人关节空间控制的问题。最后以平面二杆欠驱动机器人为例,验证了所得理论的可行性和有效性。     

欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。     

柔性Stewart平台的动力学建模与仿真

利用模态综合法描述了柔性支腿的变形，探讨了建模过程中部件模态集的选取原则及正交化处理技术。在此基础上建立了柔性Stewart平台的动力学模型，并仿真分析了支腿柔性对平台系统动力学特性的影响，指出工程应用中支腿的柔性影响可忽略不计。     

平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

基于模糊控制理论,研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统,利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动,同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想,提出双模态模糊PID复合控制算法,针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性,在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明,所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。     

平面2R欠驱动机器人的轨迹规划与控制

以含有一个主动关节的平面2R欠驱动机器人为研究对象,对此类欠驱动系统的轨迹规划问题进行了研究。首先建立了系统的动力学模型,采用时间尺度方法实现了主动和被动关节点到点的轨迹规划,然后引入滑模控制方法进行反馈控制,使被控系统收敛到给定的规划曲面上,克服了非完整系统不存在光滑状态反馈控制律使系统镇定的缺点。数值仿真结果验证了方法的有效性,为欠驱动系统的轨迹规划与控制提供了一种有效的途径。     

基于欠驱动机构的仿人机器人手爪设分

通过研究人手的生理结构特点,模仿人手结构,设计出仿人机器人手爪。整个手爪设计有拇指、食指、中指和小指,每个手指有三个关节。采用欠驱动连杆机构设计出结构紧凑的三关节手指机构以实现包络抓取和精确捏取。设计出高度集成的大功率小体积的驱动和传动机构并通过一个电机调整拇指机构的位置,以形成多种抓取模式。最后介绍了该手爪的控制以及抓取实验。     

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。     

复杂柔性车载液压机械手弹性动力学建模方法研究

利用动态子结构法研究一种柔性车载液压机械手的弹性动力学建模方法。考虑机械手动态设计和振动主动控制的实现,根据机械手各部件的实际边界约束条件,将机械手系统分解成由不同约束的连续梁构成的9个子结构,且在液压作动器的作用点设置约束模态坐标,以方便机械手振动主动控制方程的导出。在建立各子结构的动力学控制方程后,借助边界条件经综合得到系统的动力学模型。该方法易于实现、计算效率高,便于讨论结构参数对低阶模态的影响规律,也为机械手的振动控制提供了理论基础。     

一种铰链式气动缓冲性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的、弹性波壳伸缩的缓冲性手指关节,关节具有缓冲性好的特点,多关节可组合成操作机械手。文中给出了关节的基本结构和工作原理,结合受力分析,建立了关节角位移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,同时确立了关节角位移的动态模型,并进一步根据示例进行静态分析与动态仿真。     

基于DSP技术的2R欠驱动机器人控制系统设计

采用DSP作为主处理器,设计出一种欠驱动机器人控制系统,满足了机器人实时动力学控制对高速运算的要求.实验结果表明,所设计的欠驱动机器人控制系统功能完善,实时性好,控制系统稳定且效果良好.     

欠驱动式移动机器人构型综合

拓展移动机器人的构型以满足更多场景的应用有着重要意义。在颜氏机构创造性设计法的基础上对欠驱动式移动机器人悬架进行创新设计,并针对该方法的不足进行了拓展和补充。从最简化的摇臂机构出发,分别采用了增加机构构件、增加接触地面车轮数目、增加机构自由度等方法,得到了新型的欠驱动式悬架,并从中挑选了几种典型的构型进行移动性能比较和评价,为移动机器人的设计提供了新的构型和思路。