基于ADAMS的超高压水射流破拆机器人机械臂仿真研究

超高压水射流破拆机器人已成为了混凝土水力破拆工具的主要载体。以超高压水射流破拆机器人样机为研究对象,利用Solid Works建立该样机三维模型;采用虚拟样机技术在ADAMS中对其机械臂进行不同工作环境下的模拟仿真分析,通过对该机械臂的ADAMS模型设置不同的部件材料参数和关节驱动函数,调整环境参数并模拟破拆过程,得到破拆机器人机械臂各运动部件的主要运动参数以及部分关键点的受力状况,提出了破拆机器人结构优化的理论依据,对提高破拆机器人的工作稳定性促进机器人的优化创新具有一定实际意义。     

机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。     

绳驱动机械臂动力学建模及ADAMS仿真研究

针对绳的引入造成绳驱动机械臂动力学建模较难获取的问题,考虑绳的单向受力性,研究了绳对机械臂动力学模型的影响、绳子对所有经过的连杆之间的受力情况、预紧力对连杆受力及驱动力矩的影响等方面。在传统刚性机械臂动力学模型基础上进行了归纳,分析了绳子引入对机械臂受力造成的影响;基于递推形式的牛顿欧拉公式得到了完整的绳驱动机械臂动力学模型,并在此基础上分析了施加预紧力对连杆受力及驱动力矩造成的影响;利用ADAMS对三自由度串联绳驱动机械臂进行了仿真。仿真结果表明:理论驱动力矩与仿真力矩基本吻合,说明所建串联绳驱动机械臂动力学模型是正确的;预紧力的施加只会影响各连杆之间的相互作用力,不会改变驱动连杆所需的驱动力矩。     

太空机械臂带故障运行控制研究

为了对出现故障的太空机械臂进行控制,本文先对太空机械臂故障后行为进行动力学分析。在此基础上,得出了太空机械臂带故障运行的控制方案。本文所提出的新控制方案是基于自由转动关节的,也就是说,故障关节完全失去了驱动力矩。为了验证方案的可行性,我们还利用平面两连杆机械臂进行了动力学仿真。     

凿岩机器人钻臂动力学参数分步理论辨识方法

凿岩机器人钻臂具有多冗余自由度耦合关节,且结构尺寸庞大,难以准确获取其动力学参数。为此,提出一种分步理论辨识法辨识钻臂动力学参数。推导出钻臂的牛顿-欧拉方程,并建立其动力学模型,采用5阶傅立叶级数规划钻臂各关节运动的激励轨迹,将钻臂3维Pro/E模型导入ADAMS中,根据各关节在激励轨迹下的驱动力(或力矩),从推进器关节开始沿机身方向进行递推,对各关节的动力学参数进行分步辨识。仿真结果表明,分步理论辨识法具有较高的辨识精度,提高了钻臂末端(钎头)定位控制的精度和稳定性。     

轮毂打磨5-DOF机械臂动力学建模与驱动参数预估

提出了一种基于2-UPS+UPU机构的5-DOF机械臂,建立了机械臂的手腕运动状态与其关节驱动参数之间的传递方程显式表达式,从而得到机械臂的伺服电机驱动参数峰值预估模型,计算出各伺服电机中的驱动转速最大理论值为25.1r/s,驱动力矩最大理论值为6.2N*m。以一组具体的结构参数作为算例,计算出伺服电机中的驱动转速最大值为18.7r/s,驱动力矩最大值为4.73N*m,算例伺服电机选型的预估功率为700W,证明了伺服电机峰值驱动参数预估模型的合理性。     

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。     

六自由度机械臂的动力学仿真及控制

介绍了一种六自由度机械臂装置,分析了六自由度机械臂的基本理论知识,在SolidWorks软件中建立了六自由度机械臂的模型。然后将模型导入ADAMS中,建立动力学仿真模型,通过对机械臂各部件运动的仿真分析,得出每个关节达到指定转速所需力矩,从而为各关节电机的选型提供依据。最后使用MATLAB与ADAMS进行联合仿真,在Simulink中建立控制方案,实现对机械臂各关节角的精确控制,为六自由度机械臂的发展提供设计参考及依据。     

SpiderFab空间机械臂系统耦合动力学计算与仿真

SpiderFab型空间机械臂是一种典型的漂浮基空间机械臂系统。为了定量的认识机械臂在运动过程中对基体的扰动影响,并以此为依据设计浮动基体的位姿控制系统,建立了系统的运动学、动力学方程。根据系统动量守恒条件显式的表达出基体与机械臂之间的速度耦合关系,并由此说明基体的位姿变化不仅与机械臂实时关节速度有关,还与机械臂的历史关节路径有关。为了更进一步说明系统内存在的动力学耦合问题,针对一个漂浮基三自由度空间机械臂系统,设计了三组仿真试验。三组不同的关节速度曲线作为输入条件,求解基体关节所受的扰动量。仿真结果证明了计算方法的正确性。     

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。     

超高压水射流破拆机器人机械臂架的仿真研究

超高压水射流破拆机器人应用含有沙粒的超高压水作为工作介质,对混凝土建筑进行破拆。破拆过程中其机械臂架需要承受较大的反作用力,其破拆过程是一个动力学的研究过程,通过应用Solidworks三维软件建立实体模型,应用ADAMS软件对机械臂架进行仿真研究,对仿真平台接口进行相关设置,模拟实际破拆动作,获得机械臂架的系统数据以及虚拟样机动作参数,并为进一步优化超高压水射流破拆机器人机械臂架的机械结构提供参数依据。     

考虑含间隙关节的漂浮基空间机械臂动力学输出特性研究

研究关节间隙对漂浮基空间机械臂动力学特性的影响对设计空间站机械臂具有重要意义。采用Lankarani-Nikravesh接触力表达式建立了考虑摩擦的含间隙关节模型;应用Lagrange方程和含间隙关节模型建立了含间隙的漂浮基空间机械臂动力学模型。数值模拟分析了间隙关节数量和不同间隙尺寸对漂浮基空间机械臂动力学输出特性的影响,并定量分析了间隙对漂浮基空间机械臂动力学输出的影响程度。结果表明,两个含间隙关节的耦合作用导致关节接触碰撞力剧烈变化,引起漂浮基空间机械臂的动力学输出更加剧烈;关节的间隙尺寸值越大,漂浮基空间机械臂动力学输出的波动幅值越大,但波动频率会随着间隙值的增大而减小,降低了空间机械臂的运动精度。该研究可为解决多个含间隙关节的漂浮基空间机械臂的高精度轨迹控制问题提供重要的理论依据。     

基于非圆齿轮的机械臂重力补偿机构研究

目前大多数机器人工作过程中需要消耗大量能量来克服自身重力,为了降低能耗并提高机器人性能,提出一种用于转动关节机械臂的重力补偿装置,该装置采用非圆齿轮行星轮系扭转弹簧机构,可实现机械臂任意可达工作空间的重力补偿;建立机械臂静平衡力学模型,根据静平衡约束条件设计非圆齿轮行星轮系,对非圆齿轮行星轮系传动比分配进行讨论,得到满足力矩平衡的最简轮系;以2R平行四杆机构机械臂为例进行设计分析,并导入ADAMS中进行验证,仿真结果表明,重力补偿机构有效降低了驱动力矩。     

一种4R1P型飞机表面清洗臂动力学分析及仿真

针对一种用于飞机外表面清洗的4R1P型机械臂,采用拉格朗日法建立动力学模型。通过MATLAB对动力学方程各项进行模块化编程,仿真结果得到各关节所需力矩。在计算其他串联机械臂时,仅需替换模块化程序中的变换矩阵,再输入机械臂连杆参数及关节驱动参数,即可得到关节力矩,因此,该方法对其他多自由度串联机器人的动力学求解具有一定的通用性。     

关节半解耦6自由度服务机器人的设计与运动学研究

针对目前国内外服务机器人机械臂鲜有解耦关节的现状,设计了一款关节部分解耦的6自由度服务机器人机械臂样机。根据自由度部分解耦的特点,提出了一种在机械臂末端关节d_6≠0的情况下推导运动学逆解的新算法,该算法在运动学逆解的推导过程中避免了大量逆矩阵的计算问题。通过运动学正逆解的求解验证及仿真试验,验证了文中逆运动学算法是正确有效的。文中设计的服务机器人在结构上吸收了SCARA机器人的优点且具有满自由度,提出的运动学算法对其他机器人实际应用中应对d_6≠0时的逆运动学求解具有积极的研究参考价值。     

轻量化行星采样机械臂虚拟样机系统

针对行星探测车采样机械臂开发效率低及成本高的问题,采用虚拟样机技术,对探测车采样机械臂的结构、功能、功耗及控制系统等方面进行了研究,提出了一种轻量化、低功耗、多功能四自由度采样机械臂的设计方案,确定了各关节的驱动方案,并对驱动部件进行选型。基于SolidWorks软件,实现三维模型的建立,并利用ADAMS软件,建立采样机械臂动力学模型。应用D-H法建立采样机械臂关节坐标并确定连杆参数,求解正、逆运动学公式,采用三次多项式方法对关节空间进行轨迹规划。利用ADAMS和Matlab搭建虚拟样机联合仿真系统,进行联合仿真实验。仿真结果表明,该采样机械臂设计方案合理,达到轻量化、低功耗目的,控制系统稳定可靠,能够实现支起、收回、采样等功能。     

三关节机械臂运动精度的误差分析及补偿策略

针对机械臂重复运动精度差的特点,对导致机械臂运动误差的主要影响因素进行分析。基于D-H坐标系的相关理论建立位置误差模型,对机械臂关节之间的位置误差进行分析。根据D-H参数位置误差,提出误差补偿方案,提高机械臂的运动精度。采用ADAMS软件建立三关节机械臂的动力学模型,通过对各关节的运动特性的分析,讨论在不同外界条件下各关节驱动器的力矩曲线和各关节运动关系曲线的变化,为更深入研究机械臂运动学和动力学问题,以及串联关节机械臂的本体和控制器设计提供了理论依据。     

关节型机械臂的机电耦合建模及仿真分析

针对现有分析机电参数影响机械臂工作性能方法的不足,提出了基于机电耦合动力学模型的机械臂机械结构和电机参数匹配度的分析方法,采用提出方法研究机械臂工作过程中的机电耦合因素,分析电机参数对机械臂重复工作精度的影响,以关节型机械臂为研究对象,建立关节的机电耦合模型,通过仿真分析证实了提出方法的正确性和有效性。     

5_DOF取皿机械臂设计与虚拟样机仿真

根据微生物培养过程中需对培养皿抓取和分拣的工作要求,设计了一款5自由度小型机械臂,通过UG软件建立其三维模型。利用D-H法建立其连杆坐标系并作运动学分析。采用MATLAB建立机械臂数学模型并对其工作空间进行分析与验证。将该三维模型导入到ADAMS软件中进行运动学/动力学仿真分析,得出机械臂各关节角速度、力矩等参数曲线,仿真结果可为该机械臂的物理样机制造与取放皿操作实验提供参考。     

7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真

针对传统机械臂负载自重比小、臂身惯量大、人机交互安全性弱等问题,对绳驱动机械臂的结构、绳驱关节耦合、冗余运动学等方面进行了研究,创新设计了一种新型7自由度冗余绳驱动机械臂。采用绳索间接驱动前端4个关节自由度,作为位置控制;采用电机直接驱动腕部关节3个自由度,作为姿态控制。利用绳索将驱动力从基座电机传递至机械臂关节处,实现驱动机构后置;对绳驱关节耦合问题进行分析,建立了电机-关节耦合映射关系;利用位姿分离方式,结合加权最小范数法,进行机械臂逆运动学冗余位置求解。仿真结果表明:耦合映射关系建立正确,冗余运动学求解准确高效,为绳驱机械臂结构优化、动力学建模奠定了基础。