Global Dynamic Modeling of Electro-Hydraulic 3-UPS/S Parallel Stabilized Platform by Bond Graph

Dynamic modeling of a parallel manipulator（PM） is an important issue. A complete PM system is actually composed of multiple physical domains. As PMs are widely used in various fields, the importance of modeling the global dynamic model of the PM system becomes increasingly prominent. Currently there lacks further research in global dynamic modeling. A unified modeling approach for the multi-energy domains PM system is proposed based on bond graph and a global dynamic model of the 3-UPS/S parallel stabilized platform involving mechanical and electrical-hydraulic elements is built. Firstly, the screw bond graph theory is improved based on the screw theory, the modular joint model is modeled and the normalized dynamic model of the mechanism is established. Secondly, combined with the electro-hydraulic servo system model built by traditional bond graph, the global dynamic model of the system is obtained, and then the motion, force and power of any element can be obtained directly. Lastly, the experiments and simulations of the driving forces, pressure and flow are performed, and the results show that, the theoretical calculation results of the driving forces are in accord with the experimental ones, and the pressure and flow of the first limb and the third limb are symmetry with each other. The results are reasonable and verify the correctness and effectiveness of the model and the method. The proposed dynamic modeling method provides a reference for modeling of other multi-energy domains system which contains complex PM.

多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。

旋量键合图在并联机构动力学建模中的应用

旋量键合图将旋量理论与键合图相结合,兼具了旋量理论描述空间并联机构简洁、直观及键合图多能域建模统一、规范的特点。对空间并联机构基本组成单元——构件和运动副,利用旋量键合图,构建动力学模型,并进行模块化处理。在此基础上,调用单元模块,就可建立与可视化的机构一一对应的并联机构旋量键合图模型,按照规则化推导方法,得到适用于现代控制理论的空间并联机构状态方程。以曲柄滑块机构及空间3-UPS/S并联机构为研究对象,验证旋量键合图模块化建模的可行性,给出空间并联机构具有通用性的规则化动力学建模过程,并且进一步分析空间3-UPS/S并联机构匀速及加速运动状态下驱动力、支链约束反力变化规律。这种建模方法的应用为后续构建机器人系统全局动力学模型及控制研究奠定基础。

Stewart平台多能域系统动力学全解建模与实验

围绕六自由度Stewart并联平台的多能域动力学建模展开研究。首先,采用旋量键合图建立了电动缸驱动Stewart平台机构本体动力学模型,采用传统键合图建立了伺服电动缸键合图模型,得到了该平台完整的机、电耦合的多能域系统动力学全局模型。其次,给定平台末端轨迹,对比Matlab理论计算、ADAMS软件仿真以及实验实测驱动力结果,验证了Stewart平台机构本体旋量键合图模型的正确性。最后,借助理论计算得到的驱动力,由平台系统多能域动力学全解模型进一步计算得到伺服电机电流,与通过实验得到的电机电流实测值对比,验证了该平台多能域系统动力学全解模型的正确性。为后续包含驱动单元惯性参数和摩擦参数在内的动力学参数辨识以及平台控制研究奠定了基础。

基于功率键合图的IC芯片粘片机并联焊头机构的动力学分析

这里基于功率键合图的原理和特点,建立了IC芯片粘片机并联焊头机构的功率键合图模型和动力学方程,并用Matlab/Simulink进行了仿真。结果表明:使用该方法可以用简明的图形方式直观揭示出机构的动力学特征,动力学方程建立的规则化便于计算机自动生成。

基于键合图的行星滚柱丝杠副动态特性建模与仿真

考虑行星滚柱丝杠副传动间隙、啮合面接触变形、丝杠扭转与拉压变形、加工误差、载荷分布、摩擦力及惯量等因素,运用键合图理论建立行星滚柱丝杠副动态特性分析模型,推导其状态方程。引入功率结型结构描述传动间隙引起的螺纹啮合面间接触力、阻尼力非线性分段特性,用Lu Gre模型反映啮合面摩擦力对行星滚柱丝杠副动态特性影响。以一组行星滚柱丝杠副参数为例,将其阶跃速度响应结果与Adams仿真结果进行对比,验证模型的正确性。分别研究丝杠转速、滑滚比对摩擦力响应特性影响及传动间隙、加工误差对刚度特性影响。分析结果有助于提高行星滚柱丝杠副动态精度及工作稳定性。

HDPE膜焊接机器人热力机电耦合能域系统动力学全解建模

针对运营中垃圾填埋场高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)膜漏洞修补问题,提出一种将并联机构和热熔焊接加工结合起来的智能焊接机器人系统,围绕机、电、热多能域耦合系统动力学展开研究。利用键合图及旋量键合图理论分别构建了电机驱动子系统、末端热熔焊执行子系统及并联机构机械本体动力学模型,得到机电热多能域系统全解动力学模型。对于给定焊缝实际执行轨迹,通过MATLAB软件状态方程求解、ADAMS软件模型动力学仿真及20-sim键合图仿真综合进行分析验证,验证了该机器人多能域系统动力学全解模型合理性,为其后续动力学参数辨识以及动力学控制研究奠定基础。