基于李群方法的6自由度机器人机构动力学分析

用李群李代数建立了六自由度机器人的机构动力学方程,描述了机器人的位姿及相应的速度和加速度。并对六自由度工业机器人进行了Matlab仿真与Adams验证,应用李群推法得到了关节驱动力矩与根据Adams分析所得的关节驱动力矩具有很好的一致性,误差为5%。说明了李群方法在机器人动力学分析中的适用性。     

用李群李代数分析具有空间柔性变形杆件的机器人动力学

用李群李代数理论方法研究具有三维空间柔性变形杆件的机器人的动力学分析问题。首先用李群李代数法描述空间二柔性杆件机器人的运动学,然后给出空间柔性杆件微小段的质量密度和刚性密度,通过积分得到空间二柔性杆件的动能和势能。用Rayleigh-Ritz方法进一步研究柔性杆件动力学,并用MATHEMATICA软件仿真 分析机器人末端点的空间变形和空间位置,与ANSYS/ADAMS联合仿真的结果进行对比,证明了建模方法的有效性。     

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。     

机器人动力学的李群表示及其应用

采用李群和李代数的方法来描述牛顿一欧拉方程和拉格朗日方程，得到机器人动力学在关节空间和操作空间内单个连杆的递推公式以及整个系统动力学方程的矩阵表达式。分析了机器人动力学的几何特性，并进一步研究了动力学方程的微分形式及其对机器人的设计和最优控制所起的作用。以平面2R为例，分别得到2R机械手在关节空间和操作空间中的动力学方程，推导出机器人在关节空间中动力学的微分形式，分析了机械手的奇异性和复杂性。     

具有变胞功能的焊接机器人拓扑分析和工作空间建模分析

此文使用了关联矩阵及逻辑运算,对变胞过程进行描述,该方法能直观地描述出构态变换的过程和目的,变胞矩阵构造简便。同时,结合李群、李代数的旋量理论,给出机器人系统的运动学建模方程,并用Matlab/Sim Mechanics进行工作空间仿真,为后面进行运动学仿真和动力学仿真奠定基础。     

六自由度搬运机器人动力学分析及仿真

针对模块化六自由度轻载搬运机器人的结构特点,利用Solid Works三维设计软件绘制了机器人的三维模型。采用拉格朗日法建立了机器人的动力学模型并进行动力学分析。基于ADAMS仿真软件构建了机器人的仿真模型并进行动力学仿真,得到了转动关节的力矩曲线。基于MATLAB软件对动力学方程进行了数值分析并绘制力矩曲线,其理论分析结果与ADAMS的仿真结果一致,验证了理论计算的正确性和机械结构设计的合理性,为继续优化机器人结构设计和控制系统设计奠定了基础。     

直接示教机器人的示教助力研究

传统的直接示教机器人在示教过程中需要人去克服机器人在运动过程中的重力、惯性力、离心力等,示教操作不灵活。基于机器人动力学研究了机器人示教时的助力控制方法。首先采用牛顿-欧拉方法建立了直接示教机器人的动力学模型,研究了机器人各关节的状态与力矩之间的关系,推导出机器人运动时各轴所需的力矩,并绘制了力矩曲线。然后,利用SolidWorks建立了机器人的三维模型,将该模型导入ADAMS,进行动力学分析与仿真。最后,将ADAMS软件的动力学仿真结果与建立的动力学模型计算结果进行了对比,力矩曲线基本一致,最大误差不超过11%。该动力学模型可以为机器人在各种位姿下进行助力控制提供计算依据,从而实现直接示教时的轻便灵活操作。     

并联机器人逆动力学建模的几何代数方法

逆动力学建模是并联机器人动力学性能评估和实际控制的基础。以几何代数为数学工具,提出并联机器人的解析逆动力学建模通用方法。根据几何代数的外积性质,可直接确定并联机器人中各分支的关节速度和加速度幅值,建立机器人驱动速度和被动速度之间的映射关系,并推导出并联机器人分支中各杆件的速度和加速度。结合虚功原理建立并联机器人的逆动力学模型,并确定驱动力/力矩的解析表达式。关节速度和加速度计算不需要判断几何关系、进行求导或求偏微分,并且整个计算过程中仅涉及加法和乘法,无需求解符号线性方程组,提高计算效率。以六自由度并联机器人6-UPS和三自由度并联机器人2PUR-PRU为例(U：虎克铰,P：移动副,S：球铰,R：转动副),得到在给定轨迹下两个机器人驱动力的理论结果,通过与ADAMS软件仿真结果对比验证所提方法的正确性。同时,通过与基于牛顿-欧拉方程的自然正交补法进行计算效率对比,证明该方法具有计算高效的优点,可替代ADAMS仿真和原先方法用于并联机器人逆动力学建模及分析。     

基于重力补偿的机械臂PD控制系统研究

针对多关节机器人机械臂数学描述复杂、运动学分析困难的问题,采用逆动力学方法建立机器人双关节机械臂的动力学模型,并对重力项进行补偿,采用对重力矩准确估值的PD控制算法实现机械臂运动轨迹准确跟踪,能够满足机械臂定点控制的要求,具有无超调、初始力矩小等特点,通过仿真实验表明与理论分析结果一致,表明此控制方法的有效性。     

基于柔体动力学分析的平面并联机器人结构优化设计

针对高速高精度机器人的结构柔性问题，提出了一种基于柔体动力学分析的结构参数优化设计方法，并对一种含平行四边形结构的平面并联机器人进行了结构参数优化。采用离散梁模型来仿真机器人的柔性，轴套模型来仿真机器人关节的柔性，建立了参数化的柔体动力学模型。利用动力学仿真软件ADAMS对机器人的动态响应、驱动力矩和固有频率进行了计算，据此对机器人的结构参数进行了优化。最后通过固有频率测试和动态响应实验结果验证了优化设计的有效性和准确性。     

具有空间复合变形构件的机械系统分析方法

用李群李代数的理论方法探讨了具有空间变形构件的机械系统的分析问题。根据弹性力学的基本原理,建立了考虑弯曲、拉伸和扭转的空间变形杆件的弹性方程。将杆件作为基本元素,将其理论扩展应用于具有空间柔性变形杆件的串联机器人系统,分析了系统空间弹性性能与运动学问题。进而,研究了其在柔性并联机构振动平台分析中的应用。最后,应用该理论很好地解决了螺旋弹簧的空间弹性性能分析问题。将李群李代数理论成功地拓展应用于空间柔性机构系统的分析,验证了该方法的有效性。     

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。     

Inverse dynamics task control of flexible joint robots—I: Continuous-time approach

This paper focuses on the problem of application of inverse dynamics control methods to robots with flexible joints. In Part I of the paper, there are answers presented to a number of questions related to the analytical formulation of nonlinear decoupling control laws. After discussion, the dynamic model of a robot with flexible joints and electrochemical actuators is chosen. The application of the extended computed torque technique together with the methods from the theory of differential-algebraic equations (DAE) to the developed fifth-order robot model gives a number of decoupled linear subsystems, which take robot task space commands as inputs. Due to drawbacks of the continuous-time inverse dynamics, discussed in the paper, a new control strategy in discrete-time is developed in Part II of the paper. The proposed control method is computationally efficient and admits low sampling frequencies. The results of extensive numerical experiments confirm the advantages of the designed control algorithm.     

APPROACH TO IMPROVEMENT OF ROBOT TRAJECTORY ACCURACY BY DYNAMIC COMPENSATION

Some dynamic factors, such as inertial forces and friction, may affect the robot trajectory accuracy. But these effects are not taken into account in robot motion control schemes. Dynamic control methods, on the other hand, require the dynamic model of robot and the implementation of new type controller. A method to improve robot trajectory accuracy by dynamic compensation in robot motion control system is proposed. The dynamic compensation is applied as an additional velocity feedforward and a multilayer neural network is employed to realize the robot inverse dynamics. The complicated dynamic parameter identification problem becomes a learning process of neural network connecting weights under supervision. The finite Fourier series is used to activate each actuator of robot joints for obtaining training samples. Robot control system, consisting of an industrial computer and a digital motion controller, is implemented. The system is of open architecture with velocity feedforward function. The proposed m     

穿戴式机器人的协调控制方法及其运动辅助机理

为改善穿戴式机器人在运动辅助过程中的人机交互柔顺性,提出了一种以中枢模式发生器(CPG)为核心的协调控制方法,利用CPG自激行为和对外交流的特性获得理想的主/从关节目标轨迹,规避了运动学和动力学逆解算。结合仿真分析和物理实验研究,阐明了所提控制方法及其运动辅助机理、停止再运动等柔性运动产生机理。结果表明,该协调控制方法具有运动辅助效果,CPG自激行为和对外交流的特性可以获得理想的主/从关节目标轨迹,且CPG的衰减停振特性能够方便地生成停止再运动等柔性运动,极大地改善了机器人的人机交互柔顺性。     

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。     

插接管道焊缝扫查机器人的位置/力控制

为了使机器人的超声探头能够紧密贴合被检管道表面,设计了一种被动柔顺性末端执行器,并提出了一种被动关节与主动关节分离的外环混合位置/力控制策略,进行了位置/力控制仿真。确定了被动柔顺性末端执行器微动位置调整与主动关节输出变量之间求解关系,建立了理想状态下的准静态力学控制模型,理论上证明了位置偏差和力偏差均可通过主动关节的控制得到有效消除,保证控制精度。仿真研究了分度角分别为0、30°、60°与90°所对应的圆、椭圆及直线的截面线轨迹扫查情况。结果表明在各种情况下的位置与力控制都收敛并满足精度要求,从而证明了所提出的被动柔顺关节外环位置/力控制策略是有效的。