机器人动力学与控制专题序

机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节,也是形成机器人终极产品性能评价指标重要的科学依据,以往机器人的发展已经表明,多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现,可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化将成为未来机器人发展的重要方向,使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体,因此,以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强,其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐,同时,这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。本刊组织了“机器人动力学与控制研究专题”,主要介绍以下两个方面的研究进展。     

软体机器人结构机理与驱动材料研究综述

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景. 智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能. 介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人. 从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人. 还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型. 介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.      

机器人无标定视觉伺服控制研究进展

视觉伺服控制是机器人系统重要的控制手段. 相比传统的在标定条件下使用的视觉伺服系统,无标定视觉伺服系统具有更高的灵活性与适应性,是机器人伺服控制系统未来重要的发展方向和研究热点. 本文从目标函数选择、控制器设计、运动轨迹规划三方面综述了无标定视觉伺服控制系统近年来的主要研究进展. 首先根据目标函数的形式,分析了基于位置的视觉伺服、基于图像的视觉伺服以及混合视觉伺服各自的特点与应用;在控制器设计方面,根据是否在设计过程中考虑机器人的非线性动力学特性,分别介绍了考虑机器人运动学与考虑机器人动力学的无标定视觉伺服控制器的设计,重点突出了雅克比矩阵的构造与估计方法;针对无标定视觉伺服系统运动轨迹可能存在的问题,从空间轨迹优化与障碍规避的角度,阐述了已有的可行解决方案. 最后,基于当前的研究进展展望了无标定视觉伺服的未来研究方向.      

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.     

一类新型仿生起竖结构设计及其动力学分析

由于生物能够通过丰富的运动形式完成特定的任务, 仿生设计方法受到了学者们的广泛关注. 蚯蚓在各种环境中具有出色的移动能力和适应性, 受此启发, 仿蠕虫机器人被提出并应用在搜救、医疗等领域. 然而现有的仿蠕虫机器人一般通过体节的轴向变形实现直线运动, 无法实现类似蛇类生物的起竖功能. 为了解决现有的仿蠕虫机器人无法起竖的问题, 本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节, 并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能. 首先, 本文提出了一种仿生起竖关节模型, 推导了多节仿生起竖结构的总势能表达式, 从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型; 随后, 基于多节仿生起竖结构总势能的表达式和多元函数极值原理, 提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则, 利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性, 并研究了需求构型的触发条件; 最后, 针对不同起竖节数的设计需求, 设计了相应节数的仿生起竖结构. 研究结果表明, 结构参数设计准则能够使得多节仿生起竖结构达到需求的仿生起竖构型, 并在需求构型处保持稳定平衡; 此外, 定义了初始激励与起竖构型的比例系数单调性变量, 并基于仿生起竖结构不同稳态的吸引盆揭示了上述变量构成的构型触发准则, 这为仿生起竖结构的构型切换提供了理论依据. 本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义, 也是对仿生设计理论的进一步完善.      

多体动力学——模拟和分析方法

给出了对多体动力学模拟和分析方面近期进展的述评。多体动力学是应用力学中发展最快的领域之一。多体系统正越来越多地用来作为诸如机器人、机构、链系、缆系、空间结构和生物动力学系统等实际系统的模型。多体动力学方面的研究活动已经促进了许多子领域的研究,包括表述方法,系统模拟,数值计算方法以及图解表示法。本文对这些子领域也作了讨论和评述。     

第二届国际动力学、振动与控制学术会议(ICDVC-2006)介绍

动力学、振动与控制是力学理论和应用的重要分支,也是现代科学技术十分活跃的前沿研究领域.从经典定义的角度来看,动力学与控制学科主要研究牛顿力学的一般原理和一切宏观离散系统的动力学现象.由于连续介质力学问题可以经过离散化而变成有限自由度系统的问题来处理,并且现代动力学理论可以推广到连续系统,因而动力学与控制理论中的原理和方法也同样适用于连续介质力学.     

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.      

柔性长鳍波动推进动力学分析

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景,研究了“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动推进动力学原理．首先基于鳍条正弦摆动的假设,建立了鳍面波动曲面模型,然后根据抗体理论的基本思想及修正后的流体假设分析了柔性长鳍波动的推力产生机理,并获得其动力学模型,最后通过仿真手段,得到了试验模型的仿生柔性长鳍鳍面波动引起的流体动力及力矩公式,为仿生水下机器人的动力学分析和控制系统设计提供了理论依据．     

序

动力学与控制作为现代力学的一个重要分支,主要研究动力学的基本原理、离散和连续系统的动力学特性及其控制问题.它从动态系统的观点出发,研究系统的各种运动形式、变化规律及其控制策略,为认识自然和科学现象提供理论方法和分析工具,对工程技术发展具有引领和推动作用.从20世纪80年代以来,动力学与控制学科的研究深度和广度都发生了重大的变化,无论在理论和还是应用上都取得重要的进展.当前动力学与控制研究进入一个新的阶段,发展特点表现在以下方面.首先,动力学与控制     

多体系统轨迹跟踪的瞬时最优控制保辛方法

随着近年来机器人在各行业领域的广泛应用,对机器人的动力学与控制性能不断提出新的要求,特别是对设计越来越复杂、操作越来越灵巧的智能机器人,要求其能够对目标轨迹实现高精度跟踪以满足实际工作需求. 因此,针对机器人多体系统对目标轨迹跟踪的任务需求,基于微分代数方程提出瞬时最优控制保辛方法. 首先,采用多体动力学绝对坐标建模方法建立机器人系统的普适动力学方程,即微分代数方程;然后,采用保辛方法将连续时间域内的微分代数方程进行离散化,进而得到以当前位置、速度和拉式乘子为未知量的非线性代数方程组;其次,通过引入对目标轨迹跟踪以及对控制加权的瞬时最优性能指标,根据瞬时最优控制理论获得当前最优控制输入;最后,通过离散时间步的更新完成对目标轨迹的跟踪任务. 为了验证本文方法的有效性,以双摆轨迹跟踪控制为例进行了数值仿真,结果表明:针对机器人轨迹跟踪任务所提出的瞬时最优控制保辛方法能够实现对目标轨迹的高精度跟踪,且瞬时最优控制由受控微分代数方程推导获得,更具一般性,能够适应其他复杂多体系统的轨迹跟踪控制问题.      

多体系统动力学与分析动力学专题序

正全国多体系统动力学暨控制学科组和全国分析动力学学科组联合全国航天动力学与控制学科组于2019年9月20日至23日在湖南长沙联合召开了"第十一届全国多体动力学与控制暨第六届全国航天动力学与控制和第十四届全国分析力学联合学术会议".该次会议是中国力学学会动力学与控制专业委员会下属的3个专业组首次联合举办的全国性会议,后续会议将由3个专业组轮流承办.会议主席胡海岩院士在致辞中充分肯定了这次联合会议对促进学科交叉和融合的重要作用.     

结构和系统的动力学与控制专刊序

动力学与控制作为现代力学的一个重要分支,主要研究动力学的基本原理、离散和连续系统的动力学特性及其控制问题.它从动态系统的观点出发,研究系统的各种运动形式、变化规律及其控制策略,为认识自然和科学现象提供理论方法和分析工具,对工程技术发展具有引领和推动作用.从20世纪80年代以来,动力学与控制学科的研究深度和广度都发生了重大的变化,无论在理论和还是应用上都取得重要的进展.当前动力学与控制研究进入一个新的阶段,发展特点表现在以下方面.     

3-PRS并联机器人惯量耦合特性研究

惯量是影响机器人动态性能的主要因素,并联机器人因其多支链耦合的结构特点,关节空间各驱动轴出现惯量耦合的动力学特性,在高速、高加速度运动时易引起控制超调、振动等现象,破坏机器人的动态性能,因此研究并联机器人惯量耦合特性具有重要意义. 以3-PRS 并联机器人为例,通过虚功原理求得惯量矩阵,提出惯量耦合指标,该耦合指标表征了并联机器人在工作空间不同位姿时各驱动轴的耦合惯量大小,并给出了该耦合指标在机器人工作空间内的分布规律. 进一步在一台3-PRS 并联机器人样机上进行了实验验证,结果表明耦合惯量会改变驱动轴负载,负载的改变将最终影响动态性能. 同时各驱动轴的负载变化量随着惯量耦合指标的变大而变大,与理论分析有较好的一致性. 研究成果可帮助评价并联机器人的动力学耦合特性,并可用于并联机器人的结构参数优化及伺服参数调试以提高机器人的动态性能.      

漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题.首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程.之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案.与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用.仿真运算,证实了方法的有效性.     

三体轨道动力学研究进展

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.      

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为三个方面,即理论模型验证实验、动力学特性的实验研究和其它实验.柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段:运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论.关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍.文中还对柔性多体系统动力学性态的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为.关于机械臂控制和碰撞研究实验虽有提及,但不作为重点.随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起的空气阻力.最后指出了今后的研究方向.文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍,并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考.      

多柔体系统碰撞动力学研究综述

多柔体系统碰撞动力学研究具有重要的研究价值和工程实际意义,本文针对多柔体系统碰撞动力学研究中的几个基本问题进行了全面的分析和评述,其中包括多柔体系统动力学方程的描述、碰撞模型的建立、铰接间隙引起的碰撞问题、数值算法、实验研究、控制等几个方面,并根据目前的发展现状和研究中存在的问题,指出了今后多柔体系统动力学碰撞研究中的发展方向