考虑关节摩擦效应的并联机构动力学分析

分析了一种4-SPS/CU并联机构的运动学,将该机构的关节摩擦力视为非保守力。定量分析关节摩擦力对该机构动力学特性的影响,关键在于求出关节摩擦力对应的正压力。为了简化其动力学模型,将该机构驱动支链作为整体分析使其驱动力和驱动摩擦力视为内力,首先考虑该机构的恰约束从动关节的摩擦力,再以“库伦+粘性”摩擦模型为基础,利用牛顿-欧拉法分别对该机构的驱动支链、恰约束从动支链与上平台建立了含摩擦的动力学模型。在已知上平台运动轨迹的情况下,通过该动力学方程得到了该机构的关节约束反力/力矩。基于驱动支链正压力与各关节约束反力/力矩之间的关系,导出了该机构的驱动摩擦力模型,并成功地将驱动摩擦力引入到该机构的动力学模型中。为对该动力学模型进行有效的仿真计算,制定了其数值仿真迭代过程。仿真结果说明关节摩擦力的存在对该机构的驱动力产生显著的影响。     

液压挖掘臂二自由度动力学参数辨识

通过拉格朗日法建立了斗杆、铲斗的二自由度动力学模型,并将系统动力学模型整理为未知组合参数的线性化表示.通过对拟合的关节角-液压缸位移函数进行求导得到关节力矩与液压缸驱动力间的函数关系,并在液压缸驱动力模型中引入摩擦力.分别采用递推最小二乘法与递推随机牛顿法对系统动力学模型的未知参数进行辨识.将辨识所得模型用于预测驱动力矩,与实测数据对比分析表明,随机牛顿法比最小二乘法的预测误差在斗杆与铲斗关节分别减少约65％和63％.结论表明随机牛顿法对系统噪声的鲁棒性更好,能获得系统精确的动力学模型.     

考虑非线性摩擦模型的机器人动力学参数辨识

针对机器人动力学参数辨识的问题,提出了一种基于人工蜂群算法的辨识方法。考虑到关节摩擦特性,引入非线性摩擦模型,推导了机器人动力学模型的非线性形式。设计满足速度、加速度边界条件的五阶傅里叶级数作为激励轨迹来采集实验数据;利用人工蜂群算法,以蜂群为搜索单位,通过群体间的信息交流方式与优胜劣汰机制,对模型中的未知参数进行了辨识。最后,对得到的辨识模型进行了分析与验证,结果表明通过辨识得到关节预测力矩与测量力矩有较高的匹配度,所建立的非线性模型能够更好地描述机器人的动力学特性。     

基于驾驶员关节力矩的转向操纵不舒适性研究

针对汽车设计过程中难以定量描述操纵不舒适性的问题,提出了根据驾驶员关节力矩来评价转向操纵不舒适性的思想。通过蒙特卡洛和主成分分析法进行人体尺寸预测,选定不同人体尺寸作为不同百分位人体模型,最终以95th人体模型为例,利用RAMSIS软件进行转向姿势预测。建立人体上肢Kane动力学模型,利用上肢标志点运动学参数计算上肢各关节力矩,通过回归分析法建立上肢操纵不舒适度模型,最终通过RAMSIS进行验证。     

自行车骑行状态的运动学与动力学研究

针对骑行状态的研究可分为下肢运动学和动力学两部分。骑行运动是一项整体协调性运动,需要依靠人体下肢运动才可达到稳定的骑行速度。通过建立人-车连杆模型,运用矢量方程解析法完成运动学方程推导,并对各个关节角度进行求解;运用牛顿-欧拉法完成下肢关节的动力学方程推导,并对下肢各关节力矩进行求解,对所建模型在ADAMS环境下进行仿真验证。     

考虑摩擦和参数不确定的平面五杆机构控

建立了机构运动副摩擦的数学模型,将关节接触面间的作用力转换为理想约束力与摩擦力矩.将摩擦力矩视为外加非保守力,应用简化模型法建立了包含关节非线性摩擦的平面并联五杆机构的动力学模型.基于滑模变结构理论设计了该模型考虑参数不确定性的鲁棒轨迹跟踪控制器,并证明了其稳定性.实验和检测结果表明所建动力学模型正确,所设计的控制器对机构中的非线性摩擦力有较好的补偿效果并具有较强的鲁棒性.     

基于动力学的机器人手臂上零部件安装位置优化

针对所设计的XAUT型6自由度关节型机器人,在工作空间和基本结构已定的情况下,应用凯恩方法,建立其动力学模型,找出关节驱动力矩最大的位姿,视为最恶劣情况,在此情况下以关节力矩和最小为目标函数,用安装在机器人手臂上的零部件的质心坐标编成基因码串,应用遗传算法对这些零部件的安装位置进行优化,结果表明可以达到改善机器人动力学性能的目的。     

并联机器人中柔顺关节代替传统关节可行性分析

在3-RRR平面并联机器人中,驱动杆和连杆之间的传统关节被柔顺关节代替,形成含有柔顺关节的并联机器人。基于含有柔顺关节的并联机器人动力学模型和传统关节并联机器人动力学模型,从理论上求解并对比了在并联机器人中加入柔顺关节前后动平台的轨迹、驱动力矩以及驱动杆的转角变化,同时通过实验对比了两者的动平台轨迹,验证了大范围宏观运动的3-RRR并联机器人中柔顺关节代替传统关节的可行性,为柔顺关节并联机器人的进一步研究打下了基础。     

气动柔性扭转关节动态特性研究

基于力矩平衡原理建立了气动柔性扭转关节的基本动力学模型,基于绝热气体能量守恒方程建立了扭转关节FPA的充放气动态模型。分析了FPA初始壁厚、FPA平均半径、FPA初始角度、管接头出口面积等参数对扭转关节动态特性的影响。仿真结果表明：FPA初始壁厚、平均半径和初始角度对扭转关节转角和动态过程的影响较大,管接头出口面积对扭转关节转角和动态过程没有影响。实验结果与仿真分析基本吻合,表明建立的气动柔性扭转关节模型能够准确地描述其动态过程及特性。     

气动柔性扭转关节动态特性研究

基于力矩平衡原理建立了气动柔性扭转关节的基本动力学模型,基于绝热气体能量守恒方程建立了扭转关节FPA的充放气动态模型.分析了FPA初始壁厚、FPA平均半径、FPA初始角度、管接头出口面积等参数对扭转关节动态特性的影响.仿真结果表明:FPA初始壁厚、平均半径和初始角度对扭转关节转角和动态过程的影响较大,管接头出口面积对扭转关节转角和动态过程没有影响.实验结果与仿真分析基本吻合,表明建立的气动柔性扭转关节模型能够准确地描述其动态过程及特性.     

基于弹性摩擦模型的机器人免力矩传感器拖动示教方法

基于广义动量的外力观测器和导纳控制方案,采用弹性摩擦模型估计关节摩擦力,并对关节起动阶段的摩擦估计值进行规划,实现了免力矩传感器的机器人拖动示教。基于机器人的动力学模型和运动状态,建立了基于广义动量的机器人外力观测器,观测操作者对机器人施加外力。采用导纳控制方案,根据观测的外力生成关节运动轨迹,实现机器人的拖动示教。采用弹性摩擦模型对关节摩擦进行建模,并在模型中引入Stribeck摩擦项,实现关节在低速和静止状态下的摩擦力估计。为解决关节在静止状态下拖动困难的问题,对关节起动阶段的摩擦力估计进行规划,通过短暂增加关节摩擦的估计值以增加关节驱动力矩,从而实现关节的轻松拖动,且起动规划算法不会对机器人关节的其他运动阶段造成影响。实验表明,采用本文控制方案可有效实现免力矩传感器的工业机器人拖动示教。采用起动规划方案可有效增加关节起动外力和缩短关节起动时间,在起动阶段关节可以短暂产生26 N·m以上的估计力矩,相比未使用规划时关节的起动时间至少可减少70%。同时,关节在起动阶段具有一定的抗干扰能力。     

果蔬采摘机械臂结构设计与性能测试

针对作业空间较小的大棚果蔬采摘环境,研制了串联式4自由度关节型果蔬采摘机械臂。采用SolidWorks建立了机械臂的3维模型,在拉格朗日法建立动力学分析模型的基础上,利用ANSYS和ADAMS分析软件,对机械臂进行静态结构分析和运动学、动力学仿真分析。静力学仿真结果表明,机械臂的最大应力为8.181 8 MPa,最大形变为0.000 329 11 m,结构设计合理,强度符合要求;运动学仿真结果表明,机械臂可以精确到达目标位置,运动过程平稳;动力学仿真结果表明,各关节的最大力矩均在安全合理的范围。为进一步验证设计的合理性,对研制的果蔬采摘机械臂进行了性能测试,结果表明机械臂定位精度最大误差±2.5 mm,平均误差±1.1 mm,带载能力3 kg,机械臂运动平稳,可以满足果蔬采摘作业要求。      

神经网络与计算力矩复合的机器人运动轨迹跟踪控制

为了实现机器人精密运动控制,在其关节系统引入计算力矩法(CTC)与神经网络复合的控制器,旨在通过CTC实现系统的初步控制并利用神经网络补偿机器人的不确定动力学特性所带来的运动误差.首先,建立了机器人的动力学模型并对其不确定性动力学量进行了描述;然后,为机器人构建了双闭环控制系统,并依据机器人标称模型规划出CTC控制律;进而,引入函数链神经网络(FLNN)对不确定性动力学量进行估值,并推导出FLNN的学习律;最后,对系统进行了仿真,结果显示,该复合控制器可将关节位置和速度跟踪误差控制在±0.001 rad和士0.001 rad/s之内,且其对机器人的参数变化及外部扰动具有较强的自适应性与鲁棒性.     

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。     

葡萄采摘4-DOF机械臂设计与虚拟样机仿真

为实现篱架式栽培的食用葡萄自动化采摘,设计了一种关节型四自由度(4-DOF)机械臂,并利用DH参数法建立机械臂的连杆坐标系。通过MatLab里的Robotics Toolbox建立机械臂的数学模型,对机械臂的正、逆运动学进行仿真,对末端执行器走直线轨迹进行了轨迹规划。利用ADAMS建立机械臂的虚拟样机,将轨迹规划仿真数据作为驱动,进行动力学仿真,获得夹持2kg葡萄时腰关节、肩关节、肘关节及腕关节所需驱动力矩分别为95、52、48、12N·m,从而为采摘机械臂的物理样机制造与采摘试验提供了技术依据。     

基于ADAMS的采摘机器人动力学仿真研究

首先,对ADAMS动力学仿真过程进行了分析和介绍,采用SolidWorks三维机械设计软件建立采摘机器人虚拟样机;然后,建立了采摘机器人动力学方程并进行了动力学分析,并利用ADAMS软件进行了仿真.仿真结果表明:采摘机器人末端执行器在各坐标轴上的速度和加速度都比较稳定光滑,各个时间端没有间断点,表明采摘机器人各个关节在...     

基于SimMechanics的空间3R机械臂建模与仿真

对空间3R机械臂建立的虚拟样机模型进行模拟仿真。由于对机械臂的运动学与动力学分析较为困难,导致机械臂的控制难度较大,不利于其扩大应用范围。针对三自由的机械臂的动力学问题,使用D-H坐标法建立运动学模型,使用逆运动学规划运动轨迹后,利用MATLAB中的SimMechanics工具箱来建立模型,以便对机械臂的运动进行模拟仿真,然后得到运动的模拟图和各个关节的驱动力矩,并验证模型的合理性。     

农用采摘机器人柔性关节驱动器的研究

为了取代对于农用采摘机器人关节柔性控制中所采用的力传感器,笔者分析了不同弹性体的串联弹性驱动器优缺点,设计了一款利用刚度固定的扭转弹簧作为弹性体,通过比较原电机输出端和新输出端之间的角度差计算输出力矩的串联弹性驱动器,并根据该串联弹性驱动器设计新的包含力矩环的控制模型。仿真结果表明,综合考虑设计前馈环节、摩擦补偿及干扰观测器能使整体模型控制拥有更加快速准确的控制能力,在采摘机器人的应用场景下能够有很好的应用,实现了机器人关节的柔顺控制。     

4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计

提出一种4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计方法。在建立其刚体动力学模型的基础上,提出在目标轨迹及确定运动规律下,以机器人大臂与小臂关节驱动力矩基于目标轨迹上的最大值最小作为动力学优化目标。在此基础上,构造有约束的多目标优化问题,并利用理想点法将该多目标优化问题转化成单目标优化问题加以解决。工程实例证明利用所提方法优化后得到的机器人尺度参数,能够使机器人在目标轨迹上的动力学性能明显改善,大臂与小臂关节驱动力矩峰值降幅分别为9.782%和8.207%,说明优化方法合理、有效。     

并联驱动双向偏转平台设计与动力学分析

提出一种并联驱动双向偏转平台,动平台通过在空间呈正十字交错且同心的两个驱动拱支撑,由圆弧导轨副导向,由固联于底座的电机驱动,实现了平台绕X、Y轴的大角度偏转。给出了平台的位置、速度逆解方程,分析了其运动特性。基于Lagrange法运用虚功原理建立了平台的动力学模型,对平台进行了动力学仿真,分析了在不同外载状态下电机输出力矩的变化规律。依据所建立的动力学模型进行了理论计算,并与仿真值进行了对比分析,验证了平台的可行性与动力学模型的正确性。