轻型操作臂结合部弹性约束动力学特性及实验研究

对结合部弹性约束下轻型操作臂系统的动力学特性进行了研究。首先,基于结合部的线约束刚度,建立了轻型操作臂的弹性约束模型,得到系统的频率特性方程;其次,基于建立的弹性约束模型,采用哈密顿变分原理推导了系统的振动位移方程;最后,采用理论仿真和实验方法对轻型操作臂弹性约束系统的动力学特性进行分析,探讨了结合部弹性约束对系统动态特性的影响机理。研究结果表明：所建弹性约束模型能够表征结合部的弹性约束作用,尤其对高阶模态的分析具有较高精度;在弹性约束区域内,频率与约束刚度之间具有幂函数关系特征,前两阶频率拟合误差分别小于0.08%和0.45%;振动位移分析误差为2.38%,通过实验验证了系统弹性约束模型和动力学分析结果的正确性。     

柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学与改进奇异摄动控制

采用线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来分别描述基座及关节柔性,并在此基础上经由线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法,建立了姿态受控柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学模型。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合,推导了可分别表示系统刚性运动、基座与关节柔性运动的慢、快变子系统,并提出一种由协调运动慢变控制和基于高阶快变状态观测器的最优控制所组成的改进奇异摄动控制方案。与传统奇异摄动控制方案相比,所提改进控制方案可有效避免对系统高阶快变状态量进行实时地测量和反馈,且可适于具有较大关节柔性的柔性基、柔性关节空间机械臂的控制。仿真实验结果表明了所提方案在轨迹跟踪控制、基座与关节柔性振动抑制上的有效性。     

基于劳斯判据的柔性机械臂弹性运动稳定性分析

为了研究柔性机械臂的弹性运动稳定性,分析末端附加质量和关节惯量对弹性运动稳定性的影响,并计算柔性机械臂的动态最大许用载荷,建立了单连杆柔性机械臂的物理模型,用时空分离法和拉普拉斯变换法求解了柔性机械臂的弹性运动微分方程,用拉格朗日法建立了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型并对其简化和截断。在指定状态变量、控制作用和输出变量后,建立了状态空间表达式和传递函数,并且用劳斯判据建立了稳定性判据并对其进行了简化。用得到的稳定性判据分析了末端附加集中质量和关节惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响,并从保证弹性运动稳定的角度计算了柔性机械臂的最大许用载荷。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。       

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。     

基于变柔性关节的机械臂运动误差研究

根据多关节柔性机械臂XN-600-1的结构特点,以刚性机械臂运动学模型为基础,建立了变柔性关节机械臂的运动误差模型,研究了其对整个操作空间的误差分布,对于设计过程中确定柔性机械臂的末端定位精度具有一定的指导意义.     

综合考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学分析

提出了空间柔性转子梁单元模型,建立了考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学方程。首次给出了一个四杆空间机器人的数值算例,说明了柔性空间机器人的弹性变形对方向误差及位置误差都具有很重要的影响,杆和关节的弹履变形之间有相互耦合影响作用。     

一种抗冲击柔性关节的设计及仿真分析

针对机械臂工作环境的动态变化以及人机交互安全性问题,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的抗冲击柔性关节。在关节电机和负载之间加入串联弹性驱动器,并且设计了一种新型扭转弹性体作为弹性元件来代替传统扭簧。建立了柔性关节动力学模型,基于关节的多传感器感知能力制定了阻抗控制策略,最后对关节虚拟样机进行ADAMS/Simulink联合仿真来验证控制策略的可行性,结果表明该柔性关节具有良好的力顺应性和抗冲击特性,可以实现与环境之间的安全交互。     

漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人运动非线性滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计及关节和臂双重弹性振动的抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为三个相互独立的子系统：仅表示系统刚性运动的“刚性关节-刚性臂”慢变子系统、仅表示柔性关节引起的系统弹性振动的“柔性关节-刚性臂”快变子系统和仅表示柔性臂引起的系统弹性振动的“刚性关节-柔性臂”快变子系统。分别针对三个子系统设计适当的控制律,其中非线性滑模控制方法用来实现空间机器人期望运动轨迹的渐近跟踪,速度差值反馈控制器用来抑制柔性关节引起的系统弹性振动,线性二次型最优控制器用来抑制柔性臂引起的系统弹性振动。因此,系统的总控制律为三个子系统的控制律组成的混合控制律。仿真实验证明所提出的混合控制律能够保证系统的控制精度,且能够有效地抑制柔性关节和柔性臂引起的系统弹性振动。     

机械臂操作受限柔性负载的动力学建模及仿真

针对机械臂操作受作业环境约束柔性负载,约束力、负载变形不易控制等问题,基于变形旋量理论,结合拉格朗日方程建立了机械臂操作受限柔性负载系统的动力学模型。首先,将系统分解为刚性机械臂与柔性负载两个子系统,分别建立了其动力学方程。然后,根据柔性负载与环境约束力及机械臂末端执行器的约束关系,推导了系统的运动方程。在给定机械臂的运行状态及环境约束力或给定机械臂各关节驱动力矩及负载末端的期望轨迹的情况下,分别推导了系统的逆动力学模型与正动力学模型。最后,通过三自由度(DOF)机械臂操作受限柔性梁进行了仿真,验证了该方法的有效性,并对系统的动力学特性进行了分析。     

Effects of Joint Controller on Analytical Modal Analysis of Rotational Flexible Manipulator

Modal analysis is a fundamental and important task for modeling and control of the flexible manipulator. However, almost all of the traditional modal analysis methods view the flexible manipulator as a...     

A comprehensive study of modal characteristics of a cylindrical manipulator with both link and joint flexibility

A thorough understanding of modal characteristics of vibrating manipulators is essential for improved dynamic positioning accuracy. Presented in this work is an extensive investigation of a cylindrical manipulator, consisting of a revolute and a prismatic joint. In general, for high-speed, flexible manipulators, modal properties depend mainly upon the following factors: (1) physical dimensions and material properties of components (such as arms and joints), which remain unchanged for a chosen manipulator; (2) a manipulator's position (or orientation) as a result of joint actuations; (3) the rigid-elastic coupling effect; and (4) the centrifugal stiffening effect due to the influence of internal axial force on the lateral stiffness. This work is intended to study the effects of each of the above factors on modal characteristics of the manipulator, and gives insight into the susceptibility of the modal parameters to each factor. In addition, joint flexibility has substantial influence on modal properties of a robotic system, depending on the relative importance of joint torsional stiffness to the stiffness of other members, such as the bending stiffness of arms. In the situation where the manipulator moves at a high speed, both rigid-elastic coupling and centrifugal stiffening effects can become important.     

Modal characteristics of symmetrically laminated composite plates flexibly restrained at different locations

A method for determining modal characteristics (natural frequencies and mode shapes) of symmetrically laminated composite plates restrained by elastic supports at different locations in the interior and on the edges of the plates is presented. The classical lamination theory together with an appropriate set of characteristic functions are used in the Rayleigh-Ritz method to formulate the eigenvalue problem for determining the modal characteristics of the flexibly supported laminated composite plates. Sweep-sine vibration testing of several laminated composite plates flexibly restrained at different locations on the plates is performed to measure their natural frequencies. The close agreement between the experimental and theoretical natural frequencies of the plates has verified the accuracy of the proposed method. The effects of elastic restraint locations on the modal characteristics of flexibly supported laminated composite plates with different lamination arrangements and aspect ratios are studied using the present method. The usefulness of the results obtained for predicting sound radiation behavior of flexibly supported laminated composite plates is discussed.     

伸缩缝结构的环境振动监测与动力特性识别

为分析变形缝处理措施对现有相邻结构动力特性的影响,对某设置伸缩缝的钢筋混凝土框架剪力墙结构进行了环境振动测试,识别得到了缝两侧结构的四阶自振频率、阻尼比和振型,并计算了伸缩缝两侧测点间的相干函数。对该相邻结构进行长期振动监测,得到其各阶自振频率随温度变化的规律。提出了考虑不同温度下伸缩缝作用的所测相邻结构的有限元建模方法。结果表明:伸缩缝处建筑装修面层未中断使环境振动下缝两侧结构的动力特性相同,形成一个体系;结构体系前两阶自振频率随温度升高变化不大,第3阶自振频率(缝处的连接作用引起的扭转模态频率)随温度升高明显增大;缝处的连接作用可利用与缝同宽的不同弹性模量的板进行有限元模拟。     

The free vibration analysis and optimal design of an adhesively bonded functionally graded single lap joint

In this study, three-dimensional free vibration and stress analyses of an adhesively bonded functionally graded single lap joint were carried. The effects of the adhesive material properties, such as modulus of elasticity, Poisson's ratio and density were found to be negligible on the first ten natural frequencies and mode shapes of the adhesive joint. Both the finite element method and the back-propagation artificial neural network (ANN) method were used to investigate the effects of the geometrical parameters, such as overlap length, plate thickness and adhesive thickness; and the material composition variation through the plate thickness on the natural frequencies, mode shapes and modal strain energy of the adhesive joint. The suitable ANN models were trained successfully using a series of free vibration and stress analyses for various random geometrical parameters and compositional gradient exponents. The ANN models showed that the support length, the plate thickness and the compositional gradient exponent played important role on the natural frequencies, mode shapes and modal strain energies of the adhesive joint whereas the adhesive thickness had a minor effect. In addition, the optimal joint dimensions and compositional gradient exponent were determined using genetic algorithm and ANN models so that the maximum natural frequency and the minimum modal strain energy conditions are satisfied for each natural frequency of the adhesively bonded functionally graded single lap joint.     

2F2R宏微机械臂动力学建模与弹性振动尺度效应分析

柔性宏刚性微机械臂是一类典型的刚柔混合机械臂系统。采用有限元法,以2F2R宏微机械臂为研究对象,通过分析,详细推导和建立具有普遍意义的动力学模型。基于给定关节空间运动轨迹,对2F2R宏微机械臂的结构参量、截面参量、材质、集中质量分布等与系统弹性振动尺度效应之间关系与变化规律进行分析。在此基础上,针对操作空间运动轨迹,采用宏微空间分解方法,进一步分析上述设计参量与系统弹性振动尺度效应之间关系。通过上述两方面研究工作,获得许多有参考价值的研究成果,这对于该类宏微机械臂的设计与控制都将具有重要意义。     

3-RRS柔性并联机器人的振动特性分析

基于有限元法、Lagrange方程和运动协调条件,建立了3-RRS柔性并联机器人的弹性动力学模型。分析了含有Rayleigh阻尼的3-RRS柔性并联机器人的振动特性。通过算例,揭示了系统阻尼固有频率与模态衰减系数的变化规律。研究3-RRS柔性并联机器人系统的振动特性可为此类机器人的机构优化设计、控制和工程应用提供指导。