6—PSS柔性并联机器人动力学分析与仿真

为了提高风洞试验的安全性,对风洞试验用6-PSS并联机构进行柔性动力学分析。首先,对机构进行运动学分析,得到机构的运动学逆解,利用一阶影响系数法,推导出机构雅可比矩阵。其次,在拉格朗日方程基础上,采用一种合理简化模型动力学建模方法,给出机构动力学方程。提出一种简单实用的柔性动力学建模方法,运用ADAMS软件建立机构的柔性动力学模型,进行并联机构的柔性动力学仿真。对比刚体动力学和柔性动力学曲线,验证了柔性动力学仿真的正确性。最后,分析柔性动力学中驱动力和柔性变形等数据曲线,总结出并联机构柔性状态下动力学特征。     

柔性并联机器人非线性摩擦动力学建模与速度规划

为了实现柔性并联机器人的高速、高精度控制,基于HensensKostic理论,计入关节非线性摩擦力建立了Lagrange动力学误差模型,测试了补偿前后机器人的单点定位误差。基于机构最大速度和加速度约束条件,分析了S型和常用T型2种速度规划算法下机器人的位置误差和速度性能。仿真结果表明:T型速度规划位置和速度跟踪最大误差为78.1μm和11.4 mm/s,而S型速度规划分别是37.8μm和3.72 mm/s,且2个终止点定位误差仅为8.1μm和8.9μm;速度性能方面,S型速度峰值误差变化最大仅为1.74 mm/s,远小于T型速度规划的6.88 mm/s。可见,在高速下S型速度规划算法保证了较高的位置跟踪精度尤其是定位精度,速度尖峰突变小且整体曲线相对平缓,大幅提高了速度跟踪精度和运动平稳性,更易于实现机器人高速、高精度平稳控制。实验测试了机器人连续运动下定点位置误差,仿真所得位置误差小于实测数据,存在100μm左右的误差,但所得结论一致,验证了仿真分析的有效性。     

Delta并联机器人弹性动力学研究

采用有限元理论建立Delta并联机器人柔性构件的运动微分方程,结合机构的运动特点,规定了结点位移的方向,得到机构系统的动力学模型.将机构的真实运动看作名义运动与弹性振动的叠加,同时将动平台的位置和方向误差看作名义运动的摄动,得出动平台位形误差与结点位移的关系方程.在实例中,综合考虑重力、惯性力及阻尼共同作用下的动力响应,得到机构模态频率在工作空间的特性,对动平台的6维误差进行了全面评估.     

冗余驱动并联机器人动力学建模与驱动力协调分配

冗余驱动可有效降低并联机构的最大瞬时驱动力,提高其承载能力,然而驱动力协调分配不当或冗余驱动力控制误差过大不仅使上述功能无法实现,甚至产生过大内力而对机构造成破坏。为此,以冗余驱动6PUS-UPU并联机器人为例,对驱动分支、约束分支和动平台的速度、加速度进行分析,引入偏速度和偏角速度,使用Kane方法建立系统的动力学方程。提出以最小化最大瞬时驱动力为目标,使用加权最小二乘法对驱动力进行协调分配,通过数值算例获得给定运动轨迹情况下各分支驱动力。采用DSP控制器和运动控制器相结合的方式提高驱动力协调分配的实时性,实现对冗余驱动力的控制。实验结果表明:在冗余驱动力作用下,瞬时最大驱动力明显降低,且驱动力分配更加均衡,证明了所提出的驱动力协调分配方法和冗余驱动力控制策略的有效性。     

柔顺关节并联机器人动力学模型

首次采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了柔顺关节并联机器人系统动力学方程。对方程进行了数值求解,结果显示在理想结果的基础上存在低幅高频振动,而简化模型结果却比较理想,这表明理论模型比简化模型更能反映柔顺关节并联机器人这种刚柔耦合系统的特征;同时理论轨迹与ADAMS-ANSYS联合仿真轨迹、实验轨迹进行对比,最大相对误差分别为2.41%和4.69%,验证了理论模型的正确性。     

平面3-RRR柔性并联机器人残余振动主动控制

对平面3-RRR柔性并联机器人残余振动主动控制问题进行了研究.基于有限元法和拉格朗日方程,建立了带压电陶瓷制动器和传感器的智能梁单元的运动方程.考虑刚体运动和弹性变形运动的约束关系,通过组装,形成了3-RRR柔性并联机器人系统的运动学方程,基于模态理论把物理空间下描述的高阶运动方程变换到模态空间下的低阶模态方程.根据导出的低阶模态方程,设计了应变速度反馈控制器和最优状态反馈控制器,数值仿真结果表明:两种控制器都能有效地抑制系统的残余振动.同时,相对于应变速度反馈控制,最优状态反馈控制能以更低的控制输入电压取得更好的控制效果.     

空间刚柔耦合并联机器人动力学求解策略

针对空间刚柔耦合并联机器人在动力学方程求解过程中存在的违约问题,提出了一种基于瞬态刚体校正法的非线性动力学模型求解方法。利用自然坐标法和绝对节点坐标法构建该3-RRRU并联机器人的正动力学模型与逆动力学模型,考虑各支链柔性空间梁单元的剪切效应,并可描述其大范围非线性弹性变形。基于自然坐标法和刚性机构的运动学模型,分别提出2种动力学模型的瞬态刚体校正法,同时从系统能量等角度总结出获取该动力学系统稳定因果解的求解策略。仿真结果表明,动力学方程的求解精度为10-6,约束方程的相容误差为10-8,满足工程应用的要求,且有效地改善了动力学系统的综合收敛性能。通过圆形轨迹跟踪实验可知,与理想刚性模型的控制方法相比,基于逆动力学稳定因果解构建控制方法最大跟踪误差降低了0.372 mm,圆度误差降低了1.46 mm;各柔性杆上特征点处主应变测量值与理论计算值均处同一数量级,且具有相同的变化趋势,从而验证了该方法的有效性。     

柔顺关节并联机器人动力学建模与控制研究

对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究。基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程。为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性。仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性。     

空间全柔性并联机构动力学分析

针对精密柔性机构多自由度高精度运动的需求,以传统Delta并联机构为基础,设计了一种采用压电陶瓷驱动方式的空间柔性并联机构,基于伪刚体模型进行运动学分析。将从动臂质量分布作简化处理并主要考虑结构中柔性铰链的弹性应变能,利用拉格朗日方程建立动力学弹性振动微分方程,得到其固有频率表达式,并结合实际结构参数得到了相应的理论结果。3个主要运动方向的三阶固有频率的试验结果和理论分析结果误差分别为:12.71%、12.14%和14.90%,有限元仿真结果和试验结果误差分别为:6.20%、5.66%和10.28%,表明理论分析时所作的简化处理合理,得到的动力学数学模型有效、可信。     

含柔性动平台并联机器人动力学建模方法研究

针对含柔性动平台的空间并联机器人刚柔耦合问题,基于Bézier三角形与绝对节点坐标法提出一种高阶柔性三角形厚板单元模型和连续性约束条件,基于该模型分析动平台变形状态及其对系统动力学特性的影响。利用自然坐标法与绝对节点坐标法建立刚柔耦合系统动力学模型,通过引入板单元第4个面积坐标的二阶梯度来描述厚度方向上的变形并解决泊松闭锁问题,结合广义-α法与牛顿迭代法求解动力学方程,并对系统静力学模型和动力学模型进行仿真分析。结果表明,动平台在运动过程中产生的周期性凹陷变形对机器人空间位姿的影响与机构布局方式、质量分布和负载作用方式完全一致,系统刚性构件与柔性动平台的运动耦合方式符合多体动力学模型的非线性规律;运动轨迹误差低于1.2×10^-12 mm,动力学方程和约束方程迭代误差均小于设定阈值10^-6和10^-14,求解精度能满足工程应用要求;基于不同参数开展仿真对比分析,验证了所述方法的有效性和通用性。     

平面宏动并联机器人动态模拟

针对宏微结合的宏动并联机器人建立了动力学模型,实现基于模型的滑模控制及仿真。首先,根据机构闭式约束等式,分析机构的逆位置和正位置,同时推导了机构的速度和加速度关系式。在此基础上,选择各杆件的关键点,建立各关键点的偏速度和偏角速度,利用Newton-Euler公式分析各杆件的惯性力和惯性力矩,考虑了微动平台对宏动机器人运动的作用,根据虚功原理建立了动力学方程。最后,应用动态补偿策略,设计了滑模控制器。仿真结果表明了方法的有效性。     

考虑关节摩擦的3-PRS并联机构动力学建模研究

为了研究摩擦力对并联机构运动过程的影响,对3-PRS并联机构进行了基于关节摩擦力的动力学分析。对3-PRS并联机构进行末端理论运动轨迹规划,采用矢量法对机构进行了运动学分析。提出3种不同的关节摩擦模型,包括库伦摩擦模型、库伦-粘性摩擦模型以及库伦-粘性-静摩擦模型,在考虑关节间摩擦的情况下,基于牛顿-欧拉法建立了3-PRS并联机构的动力学分析模型。逆动力学实例分析表明,负载越大,摩擦力越大,在有无摩擦力的情况下,3个移动副驱动力的最大误差分别为1.40%、1.51%、1.49%。通过正动力学实例分析了不同情况下关节间摩擦模型对末端运动轨迹的影响,结果表明,不同关节摩擦模型对3-PRS并联机构末端的运动轨迹有较大的影响。     

直线驱动型并联机器人误差模型与灵敏度分析

为提高直线驱动型并联机器人动平台末端执行器位置精度,根据并联机构结构和运动学模型,对影响末端位置精度的各项误差源进行了分析,利用解析法建立动平台末端操作空间与关节空间之间的误差映射模型;在灵敏度误差模型的基础上,依据全域灵敏度评价指标,提出了一种误差源筛选方案,筛选影响位置精度的主要误差源,利用蒙特卡洛法随机模拟并联机器人中各零部件的尺寸误差、驱动误差和装配误差,得知筛选前后动平台位置误差基本一致,验证了评价指标的正确性。以激光跟踪仪为测量工具在任务空间中取点测量,对筛选后的主要误差源进行辨识,修正并联机构的正向运动学模型后,并联机构末端位置精度改善显著,验证了误差源筛选方案的有效性和可行性,减轻了误差参数辨识的复杂程度和计算量,对结构较复杂的机构误差补偿具有一定的指导意义。     

空间柔性闭链机器人动力学建模与振动仿真

空间闭链机器人的柔性连杆在高速运行状态下产生的弹性变形对系统振动效应具有重要影响.为准确分析柔性连杆对空间柔性闭链机器人振动特性的影响,采用有限单元法对柔性构件进行离散,基于浮动坐标系法描述构件位移场,最后通过Lagrange方程建立空间刚柔耦合闭链机器人动力学模型及振动方程,并分析系统固有频率和振型函数.基于同等参数...     

面向狭长空间的三自由度并联机器人设计与建模

并联机器人因具有刚度大、结构稳定、承载能力大和运动负荷小等优点,在农业和工业等领域得到了广泛的应用。现有大部分并联机器人因支链呈空间对称分布,难以进入狭长空间工作。因此,针对狭长的工作环境,提出了一种新型三自由度并联结构,该机构整体沿一条直线导轨方向布置,减少了垂直于导轨方向的宽度,使之易于放入狭窄的空间内,同时能拥有较大工作空间,并实现3个自由度上的平动运动。通过G-K公式计算机构自由度;验证了该并联机器人设计的合理性;对平台进行了运动学和动力学分析;并根据遗传算法分析其奇异性;通过解析法对机构工作空间进行了分析。研究成果为三自由度并联机器人进入狭长空间工作提供了新的思路与构型。