多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法*

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。     

2PRU-UPR过约束并联机构弹性动力学建模与分析

运用全局独立广义位移坐标和拉格朗日方程研究了具有2R1T三自由度的2PRU-UPR过约束并联机构的动力学性能。首先,将连杆划分为一定数量的梁单元,建立每一个单元的动力学控制方程,基于拉格朗日方程建立连杆的动力学控制方程;其次,基于多点约束单元理论与映射矩阵的奇异性分析建立物体与物体以及物体与基座连接点的一组独立位移坐标,结合关节连接点的独立位移坐标与内部节点位移坐标得到机构的全局独立广义位移坐标;再次,结合拉格朗日方程和全局独立广义位移坐标得到机构的总体动力学控制方程;与ANSYSWorkbench软件建立的有限元模型结果对比发现自然频率最大误差在3.6%之内。最后对比分析了自然频率求解子空间迭代方法、静态缩聚法和动态缩聚法的计算精度和计算成本。该方法同样适用于其他并联和串联机构。     

攀爬机器人动力学建模与分析

针对一种攀爬机器人越障过程中动力学特性与真空模块力系平衡问题,建立了一种基于李群李代数与旋量理论在越障运动过程中攀爬机器人动力学特性分析方法。通过指数积空间的形式推导得到了空间速度雅可比矩阵进而减少因微分求导而产生的奇点,基于李群李代数与旋量理论通过拉格朗日方程建立了物理意义明确、计算复杂度低的动力学方程,建立了真空模块的力学模型,求解得到直角面越障过程中真空模块的最佳吸附力,并应用coppeliasim仿真求解出机器人关节驱动力矩,验证了李群李代数与旋量理论建模的正确性及动力学模型的有效性,通过吸附实验验证了真空模块吸附能力。     

串联机器人的D-H建模方法分析

在机器人工程技术领域,有许多建立连杆坐标系的方法,均称为D-H方法。但这些方法在细节上却有些不同,具体表现为对于串联机器人中间连杆,建立其连杆坐标系选择建立在前关节轴线上还是后关节轴线上,并对应称之为标准D-H方法和改进D-H方法。许多机器人行业工程技术人员没有意识到这两种不同方法在描述串联机器人运动学细节上有许多区别。详细介绍了这两种方法的优缺点及联系,为工程技术人员利用不同形式的D-H方法建立串联机器人数学模型提供了参考依据。     

多自由度串联机器人的高效率反向动力学建模方法

针对多自由度串联机器人的反向动力学建模问题,通过引入解耦的自然正交补的概念和方法,消除了牛顿-欧拉动力学方程中的约束力项,得到了一种基于解耦的自然正交补的高效反向动力学递推建模方法。编制程序对七自由度串联机器人进行了仿真验证,并将其与牛顿-欧拉递推建模方法进行了对比。结果表明,基于解耦的自然正交补的反向动力学递推建模方法可节省约2/3的CPU计算时间,仿真结果正确、合理,从而验证了该方法的可靠性和高效性。     

Delta机器人动力学建模与弹性误差分析

针对Delta机器人运动过程中因弹性变形导致的误差问题,基于有限元理论对其弹性动力学问题建立了数学模型并进行了研究。根据机构特点,将机器人的各构件分别划分为刚性体与弹性体,形成了一个刚柔结合的系统,并充分考虑机构中平行四边形机构的运动协调关系,推导出了各构件的运动协调矩阵,由此装配出了系统的弹性动力学方程,在此基础上,采用Newmark积分方法对系统方程进行了求解,最后据此分析了Delta并联机器人杆件截面尺寸对其运动过程中弹性误差的影响。研究结果表明:增加驱动杆截面的尺寸时,其弯曲刚度随之增加,可以减少机器人弹性变形;而从动杆截面的尺寸增加时会因为机构自重增加导致变形增大。     

柔性机器人协调操作的动力学建模与分析

基于绝对坐标建立了柔性臂机器人协调操作的动力学模型。由此推导出协调操作的正动力学模型。令被操作物体质心的实际位置,而不是名义刚性位置为边界条件并且满足期望轨迹,由提出的载荷分配方法,建立了柔性臂机器人协调操作的逆动力学模型。由此逆动力学模型求出的关节输入值可使机器人操作物体准确地实现期望轨迹。借助逆动力学模型,通过规划载荷分配系数,可以获得各机器人的最优载荷分配比例和系统的最大承载能力。仿真结果验证了本方法的正确性和有效性。     

连续型机器人的动力学建模与仿真

提出一种新型的连续型机器人动力学建模方法。首先利用NiTi合金丝超弹性的性质建立了机器人的三维实体模型,并以末端受纯弯矩为研究对象,根据欧拉—伯努利方程,得到了机器人的变形曲线方程。然后通过求解变形曲线对时间的导数,得到其上任意点的速度,进而推出连续型机器人的动能表达,再根据已有的公式导出机器人系统的势能及广义力的表达式。在此基础上,利用拉格朗日方程建立连续型机器人的动力学模型。最后通过算例仿真验证了该方法的可行性。     

薄煤层工作面巡检机器人越障动力学建模与分析

设计了一种适应煤矿井下薄煤层工作面环境的关节式巡检机器人。完成了巡检机器人的机械结构设计,对攀越障碍时的动作进行了规划,并对越障过程中的初始状态和临界状态进行了动力学建模和分析,得到了驱动电机扭矩与越障高度和自身倾角之间的关系,为电机选型奠定了理论基础,进一步提高了巡检机器人的环境适应能力。     

搬运码垛机器人滚珠丝杠动力学建模与分析

滚珠丝杠是搬运码垛机器人中关节的减速装置,是搬运码垛机器人的重要组成部件之一,它不仅直接影响机器人的码垛速度,而且对机器人的定位精度有很大影响。面向搬运码垛机器人的滚珠丝杠,在对滚珠丝杠减速系统结构进行分析和对滚珠丝杠副的选择进行介绍的基础上,建立了搬运码垛机器人的滚珠丝杠减速系统动力学模型,基于ANSYS对丝杠进行了模态及谐响应分析,通过仿真验证了分析的正确性,为搬运码垛机器人中滚珠丝杠的工程设计及选用,为搬运码垛机器人的定位精度奠定了基础。     

六轴喷涂机器人动力学建模与仿真分析

要对机器人实施精确控制,首先必须对机器人进行动力学研究,建立机器人的动力学模型.以某公司提供的某型六轴喷涂机器人为研究对象,基于多自由系统动力学理论基础,建立机器人的动力学模型并进行了大量的理论计算.然后采用ADAMS建立虚拟样机进行仿真,通过仿真分析获取了一系列的重要结果,为优化机器人结构提供有价值的数据信息.     

基于教学实验机器人本体的运动学分析与动力学建模

设计一个6自由度通用操作臂机器人系统,其中关键技术之一就是对相应的机器人本体的运动学进行分析,并建立相应的动力学模型。本文以我校自主研发的教学机器人为参考,详细地描述了关节型机器人的运动学和动力学模型的建立,这对开发该类型机器人系统将有重要的参考价值。     

机器人动力学分析的等效有限元建模方法

介绍了一种机器人动力学建模的等效有限元法。引入等效单元的概念,通过广义惯量矩阵相等的等效单元准则提出了单元伪质量阵的概念,基于有限元思想规则组装得到等效系统的伪质量阵。基于动力学普遍方程和等效力系的概念推导出了系统的动力学微分方程,该方程表述简单、规范,适于计算机编程,使人工分析量大大减少,提高了建模效率。利用该方法推导了2-DOF平面并联机器人的动力学方程,验证了方法的正确性和有效性,为其他复杂机器人机构的动力学分析提供了一种新的可供利用的手段。     

2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模与性能分析

动力学建模和性能分析是并联机器人设计中的研究重点。以2-UPR-RPU三自由度并联机器人(U:虎克铰,P:移动副,R:转动副)为研究对象,采用螺旋理论对其进行动力学建模与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-RPU并联机器人的运动学逆解模型。采用螺旋理论分析2-UPR-RPU并联机器人分支中各个关节和杆件的速度和加速度,结合虚功原理计算2-UPR-RPU并联机器人运动时的驱动力,并通过ADAMS软件进行数值仿真验证。基于动力学模型分析2-UPR-RPU并联机器人的动态可操作度椭球指标,获得2-UPR-RPU并联机器人在不同操作高度下的转动和移动动态性能分布图谱,为机构的样机设计提供参考依据。2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模和性能分析为实现机构在实际操作中的高效高精度控制提供了重要的基础保证。     

轮式移动仿人机器人的动力学建模与分析

利用高效迭代牛顿-欧拉方法对一个21自由度的轮式移动仿人机器人进行了整体动力学建模,该模型虽然维数较高,但消除了分块建模中需要对模块之间相互作用力进行建模的难点问题,并且由于机器人双臂的对称结构,当合理规划双臂运动时,动力学模型将得到部分简化。本文还对某关节运动时在各个关节所产生的力或力矩进行了仿真分析。解析及仿真结果表明,合理规划上臂各关节的协调运动,将极大地削弱车体及腰部各关节所受的力或力矩扰动,为基于动力学的机器人运动控制以及稳定性分析提供理论依据。     

单足跳跃机器人动力学建模与仿真

针对跳跃机器人在整个运动过程中,系统所受约束不断发生变化,导致了系统动力学模型的复杂化问题,对单足跳跃机器人进行运动学分析,建立了机器人在着地阶段和腾空阶段的动力学模型,对动力学模型进行了数值仿真,验证了动力学方程的正确性,为机器人结构优化设计和运动控制提供了理论依据。     

工业机器人动力学建模与联合仿真

为了实现工业机器人的实时控制,进行前馈补偿,提高机器人的设计效率,以HT001型6自由度工业机器人为研究对象,运用牛顿-欧拉递推法对工业机器人进行了动力学分析,并采用三维设计软件SolidWorks及动力学仿真软件ADAMS联合建立了接近实际的6自由度工业机器人的动力学仿真模型,并进行了动力学仿真,得到了相关的性能曲线图,仿真结果与MATLAB理论计算结果一致,验证了理论推导的正确性和三维仿真建模的合理性,研究内容为工业机器人的机械结构设计和最优控制提供了依据。     

双臂机器人动力学建模与伺服系统控制

针对双臂机器人的手臂运动控制问题,研究了其动力学建模与伺服系统控制算法。首先,对其双臂机械结构进行了分析,总结了各个关节对机器人末端位姿的影响,并且简化了动力学方程更利于实现。其次针对简化后的模型参数采用最小二乘法辨识,最后通过仿真和系统实验,验证动力学计算结果的正确性。再次由机器人动力学和电机动力学建立关节转矩模型进行关节转矩力控制;最后讨论了交流永磁同步电机的建模和控制问题。经过验证简化后的模型一方面等效于直流电机便于设计控制器,另一方面可用于机器人关节转矩控制。     

码垛机器人动力学建模与滑移模糊控制

MJR120型码垛机器人是本文自行研制的一种用于包装生产线上完成物料搬运和码放的机器人。本文经过对该机器人进行的详细动力学分析,确定了系统的广义驱动力(矩),运用第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学模型;对MJR120码垛机器人在控制上采用了滑模模糊控制技术,通过仿真实验表明了该控制方法对MJR120码垛机器人进行控制的有效性。