平面3-■RR刚柔耦合并联机器人逆动力学研究

以平面3-RRR刚柔耦合并联机器人为研究对象,研究了其逆动力学模型和数值迭代求解算法。以绝对节点坐标法描述并联机器人中的柔性梁单元,并以自然坐标法描述其他刚性构件,基于拉格朗日原理构建了刚柔耦合系统的逆动力学模型。采用了缩减积分的方法来分割应变能以规避泊松闭锁问题,应用不变矩阵来提高求解运算速度。以S-型加减速圆周轨迹为算例,结合generalized-Alpha法与牛顿迭代法来求解并联机器人的逆动力学模型。试验迭代结果满足设定精度要求,所求柔性梁中点处最大横向变形为4.701 mm,其剪切角的变化规律具有对称性,驱动关节角速度与理想刚性模型相比变化明显,驱动关节变量的变化规律比较平滑,由此验证了建模方法、求解算法的正确性和使用S-型加减速的必要性,对将来控制具有重要的理论意义。

新型非对称打磨并联机构运动学分析与仿真

针对并联机床在实现半圆形筒状工件打磨加工的高精度、快响应等需求,提出一种新型的三自由度的非对称并联打磨机构。首先,介绍了该机构的结构特征,并基于螺旋理论等对机构自由度进行分析;其次,应用闭环矢量法建立各构件之间的运动学关系,利用MATLAB软件对其位置、速度进行数值仿真分析;最后,采用Unigraphics NX 10.0和ADAMS软件建立了该机构的虚拟样机模型,并对其运动学进行虚拟样机仿真分析。结果表明:不同支链运动规律不同,但各支链位移和速度均变化平滑、无突变现象,且同等条件下,对比分析可知,数值仿真模型与虚拟样机仿真模型结果一致,从而印证了所建模型的正确性,为后续的动力学研究及控制提供参数参考。

空间柔性闭链机器人动力学建模与振动仿真

空间闭链机器人的柔性连杆在高速运行状态下产生的弹性变形对系统振动效应具有重要影响。为准确分析柔性连杆对空间柔性闭链机器人振动特性的影响,采用有限单元法对柔性构件进行离散,基于浮动坐标系法描述构件位移场,最后通过Lagrange方程建立空间刚柔耦合闭链机器人动力学模型及振动方程,并分析系统固有频率和振型函数。基于同等参数,利用ADAMS/Vibration模块建立了空间刚柔耦合闭链机器人的自激振动仿真模型,研究系统固有频率和对应模态的变化,以及不同激振力作用下的频率响应特征。结果表明:理论模型和仿真模型的动平台运动轨迹基本一致,并且理论模型与振动仿真模型的固有频率也具有一致性,验证了振动仿真模型建立的正确性。随着激振力幅值的增大,系统响应增强。同一激振频率动平台质心处Y方向响应最大,X方向次之,Z方向最小。其中,系统第11、12阶模态对应的系统变形量最大,对应的激振频率为40~60 Hz。

刚柔耦合空间闭链机器人轨迹跟踪与振动抑制研究

针对含多变量高维度空间刚柔耦合闭链机器人的轨迹跟踪和振动抑制问题,提出了一种基于前馈补偿的PD控制方法。首先,采用有限元法对柔性空间构件进行离散,基于浮动坐标系描述柔性构件位移场矢量,并根据Lagrange方程建立考虑刚性末端执行器微小位移的刚柔耦合空间并联机器人动力学模型;然后,利用前馈控制对预先求出的含耦合效应的控制力矩进行补偿,提高刚柔耦合控制系统的响应速度及跟踪性能,同时通过PD控制律保证空间闭链机器人的轨迹精度,并对不同末端载荷作用下的轨迹跟踪精度进行分析;最后,与位置PID算法进行了比较。结果表明:与位置PID算法相比,基于控制算法作用下的刚性末端执行器轨迹精度得到提高,其中,X方向误差降低了89.7%,Y方向误差降低了4.3%,Z方向误差降低了12.9%,柔性空间构件产生的振动得到了有效抑制。

空间刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真

为研究柔性构件对系统运动特性的影响,对空间3-RRRU并联机器人进行了动力学建模及耦合特性的仿真分析。应用矢量闭环法对空间并联机构的逆运动学进行求解,推导出各个构件位置、速度、加速度的变化规律;根据第一类Lagrange方程建立空间全刚性并联机器人的逆动力学模型;运用MATLAB软件对空间并联机构进行仿真,并对动力学数值结果和仿真结果进行对比,以验证模型的正确性。基于ANSYS软件和ADAMS软件,对空间并联机构中的空间梁单元进行柔性替换,通过建立空间刚柔耦合并联机器人模型,分析机构在运动状态下展现出的耦合特性,并与空间全刚性并联机器人进行比较。结果表明:两类模型的末端执行器的运动趋势一致,轨迹误差在0.000 7~0.419 4 mm范围内;梁单元产生的弹性变形对系统运动性能产生了重要影响,因此,建立正确的刚柔耦合动力学模型具有重要的指导意义。

含柔性连杆的空间闭链机器人动力学数值分析

以系统中既存在柔性构件,又存在刚性构件的空间闭链机器人为例,分析了模型降阶法在求解柔性多体系统指标-3微分代数方程组中的求解策略。首先,将加速度约束方程并入指标-3的DAEs,动力学指标降为1,通过等价方程组,直接求出难于初值估算的拉格朗日乘子λ,则DAEs变为纯微分方程组;其次,采用逐步积分Newmarkβ法求各时刻的广义位移和速度坐标;最后,运用Baumgarte约束违约修正法消除位置和速度违约,再通过泰勒展开式和Newton-Raphson公式迭代出位移坐标和λ的修正值。由于数值求解过程中没有引入新的未知向量,避免了因模型扩大而导致的新的求解问题,并减少了对加速度坐标的违约修正过程,为求解柔性多体系统动力学方程组提供了一种新方法。