考虑关节摩擦力的打捆机构动力学建模

为了减小钢铁生产的能量消耗,文中提出了一种基于折展机构的打捆机器人以降低打捆作业能耗。首先,基于棒材打捆轨迹设计了一种新型的打捆机器人,分别建立了打捆机构的位置正反解模型,并通过算例对其进行验证;基于牛顿-欧拉法对打捆机构各组成单元进行动力学分析,建立了整个打捆机构考虑关节摩擦力的动力学模型;采用AD⁃AMS软件对打捆机构进行动力学仿真。理论和仿真结果表明:在考虑关节摩擦的情况下驱动力的差值明显大于理想状况,揭示了实际打捆工序中考虑摩擦力的必要性。所建立的动力学模型可为整个机构的能耗优化设计提供了理论基础。

考虑非线性关节摩擦SCARA机器人模糊PID控制

为了使SCARA机器人在快速运动时具有较快的响应速度和较强的抗干扰能力,在传统PID伺服控制器的基础上,利用模糊理论将伺服控制器设计为模糊PID控制器。采用MATLAB软件对该模糊控制器进行仿真研究,分析对比两种控制器的性能指标和抗干扰能力。结果表明:在阶跃信号作用下,两种控制器均能较好地实现信号跟踪,但模糊PID控制器的超调量要小于传统PID控制器。当考虑周期外激励作用时,传统PID控制器出现振荡现象,而模糊PID控制器仍保持较好的信号跟踪;在五次多项式轨迹跟踪过程中,两种控制器均能有效地实现信号跟踪。当考虑非线性关节摩擦作用时,传统PID控制器轨迹跟踪出现偏移,而模糊PID控制器实际轨迹仍能保持与期望轨迹较好的一致性。

考虑关节摩擦的3-UPS/PU并联机构模糊自适应滑模控制

为克服3-UPS/PU并联机构关节摩擦力突变现象带来的跟踪畸变问题,设计了一种模糊自适应滑模控制方法。首先在机构动平台工作空间内建立该机构的整体动力学模型。针对切换型滑模控制驱动力抖振以及自适应滑模控制(ASMC)对摩擦突变较敏感的不足,提出一种模糊自适应滑模控制(FASMC)方法,该方法以自适应理论为基础,可以在线估计包括摩擦在内的系统模型不确定项,自适应增益通过模糊逻辑系统实现了动态调整,相比ASMC可以更准确地逼近摩擦的变化情况,从而更有效地抑制摩擦力突变影响,增强了系统鲁棒性。由于无需依赖具体的摩擦模型以及简单的控制结构,FASMC适用于并联机构这类复杂不确定系统。仿真结果显示,所采取的控制方法能有效估计并克服机构摩擦干扰,提高了机构的控制精度,而且驱动力没有出现抖振现象。

考虑关节摩擦的机械臂系统变结构自适应控制

针对机械臂关节非线性摩擦因素影响,结合滑模变结构控制方法,提出一种考虑关节摩擦作用的机器臂系统变结构自适应控制方法。通过定义Lyapunov函数,获得了参数自适应律。在回归矩阵计算中,利用期望轨迹及速度替代关节实际轨迹及速度,有效节约了回归矩阵计算时间。仿真结果表明,该方法对系统不确定性和非线性关节摩擦等干扰具有很好的鲁棒性。

考虑关节摩擦的空间机器人动力学建模与参数辨识

研究了考虑关节摩擦影响的空间机器人系统的动力学建模与参数辨识问题.采用单向递推组集方法和虚功率原理建立了含有关节摩擦的多体系统动力学方程,推导了关节摩擦对系统动力学方程的贡献,采用基于腕力传感器信号和最小二乘法的辨识方法进行了系统惯性参数的辨识.数值仿真结果验证了数学模型的正确性与辨识方法的有效性.

RV减速器间隙及关节摩擦对医用机械臂动力学的耦合影响

为了探究减速器间隙及关节摩擦对医用机械臂动力学特性的影响,提高医用机械臂控制及摆位的精度,课题组以医用机械臂为对象,利用拉格朗日方程建立了包含RV减速器中心轮与行星轮之间的时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙及关节铰接摩擦的动力学模型。仿真分析结果表明:由于时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙的出现,医用机械臂角加速度出现非周期波动,且随着间隙的增加,波动幅值增大,而关节摩擦可以降低加速度波动的幅值,但会造成系统能量损失;同时,时变啮合刚度、啮合阻尼和齿侧间隙使医用机械臂末端在同一时刻到达位置出现偏差,运动出现时间上的延迟,关节摩擦使末端轨迹的误差进一步增加。

考虑关节摩擦的刚柔耦合机械臂末端抖动模拟与分析

为了解关节摩擦对刚柔耦合机械臂末端抖动的影响,解决机械臂的优化设计问题,利用ANSYS、ADAMS软件建立机械臂刚柔耦合模型,并在ADAMS中进行动力学仿真。通过进一步创建考虑关节摩擦的机械臂虚拟样机模型,对机器人末端振动特性进行动态模拟与分析。仿真结果表明:在机器人实际工作过程中,关节2和关节3存在摩擦对机器人末端抖动的影响最显著;在考虑多关节摩擦时,关节2和关节3共同存在摩擦时可使得机器人末端非周期性抖动幅值减弱,且当关节2摩擦因数取0.1时机器人末端抖动表现最弱,但关节3摩擦因数的改变几乎不会引起机器人末端抖动情况的变化。

挖掘机工作装置关节摩擦副动态接触特性分析

挖掘机工作装置关节摩擦副直接关系到挖掘机的作业质量以及产品可靠性。针对挖掘机在使用过程中出现关节摩擦副耳板外翻以及端面磨损严重问题,建立工作装置动力学模型,并基于ADAMS进行了动力学仿真,得到工作装置3个主要承重关节载荷谱数据,同时加以应变片实验验证,确保动力学仿真结果的正确性。在此基础上,基于动力学仿真结果载荷谱数据,应用ANSYS对工作装置的动臂-底座关节进行动态接触特性仿真分析。结果表明:工作装置在挖掘过程启动和结束时候存在较大突变载荷,对耳板产生冲击;接触端面的峰值应力远低于材料许用应力,端面破坏主要是由疲劳破坏造成;接触磨损区域主要集中于一侧端面外边缘处,伴随着相互之间的黏附,端面的磨损由外向内将逐渐延伸。研究结果为挖掘机工作装置关节端面碰撞冲击、磨损分析以及关节接触优化提供依据。

人工髋关节假体摩擦界面的选择进展

人工髋关节置换术为髋关节骨折、股骨头坏死等疾病的重要治疗方案,术中合理选择人工髋关节假体摩擦界面,对降低假体维修费用、改善患者髋关节功能具有重要意义。目前人工髋关节假体摩擦界面包括陶瓷—陶瓷、金属—金属、陶瓷—金属、陶瓷—高交联聚乙烯、金属—高交联聚乙烯,不同摩擦界面优缺点均存在一定差异。本文就人工髋关节假体摩擦界面特点及临床应用情况做一综述,旨在为临床治疗提供参考。

膝关节置换术后的关节摩擦音或弹响

膝关节置换术后的关节摩擦音或弹响的发生并不罕见,发病率0%～18%不等。其主要机制是髌骨周围纤维组织的增生,在髌骨上极与股四头肌肌腱连接部形成或者不形成明确的纤维结节。导致膝关节置换术后关节摩擦音或弹响的因素有很多,比如假体类型、关节线的改变、髌骨高度、髌骨厚度、髌骨轨迹异常、手术创伤等等。术后关节摩擦音或弹响,特别是伴有疼痛时,对患者术后膝关节功能的恢复和生活质量的提高有着明显影响。治疗方法包括保守治疗、关节直接切开术和关节镜手术。但膝关节置换术后的关节摩擦音或弹响的影响因素及治疗方式仍存在很多争议。

生物力学测量系统测量软骨损伤后滑膜关节的摩擦性能

背景:骨性关节炎会导致关节摩擦因数及性能的改变,目前尚没有一种方法能够全面客观的评价及测量关节的摩擦性能。目的:应用生物力学测量系统观察不同压力条件下关节摩擦性能的变化,及软骨缺损出现时关节摩擦因数的变化。方法:将羊腕关节固定在生物力学测量系统上,以垂直关节面方向给关节施加100,200,400,800N的压力,左右5°旋转关节测出平均旋转扭矩及关节摩擦因数。然后在关节面上制作面积为16mm2的软骨缺损区,测试在100,200,400,800N压力下的平均扭矩及关节摩擦因数。结果与结论:当无软骨缺损时,羊腕关节在4种压力状态下的旋转扭矩大小分别为:0.0217,0.0317,0.0630,0.1450Nm,关节摩擦因数(μ)分别为:0.0067,0.0073,0.0120和0.0145;而在软骨缺损时,4种压力状态下的旋转扭矩大小分别为:0.0270,0.0417,0.0806,0.1724Nm,关节摩擦因数(μ)分别为:0.0086,0.0097,0.0137和0.0164。可见,随着压力的增加,旋转扭矩和关节摩擦因数逐渐增大(P<0.05),且关节软骨缺损会导致关节旋转扭矩和关节摩擦因数的增大(P<0.05)。同时关节旋转扭矩与关节摩擦因数明显正相关。

考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制

以空间机械臂在轨服务的高精度要求为背景,研究不同重力环境下考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制。以二连杆空间机械臂为研究对象,建立基于轻杆模型的含间隙等效模型,使用Kane方程、力矩平衡原理建立摩擦模型,并运用拉格朗日方程建立机械臂动力学方程,设计无模型控制器。在此基础上分析不同重力环境下摩擦与间隙对机械臂关节驱动力、机械臂末端轨迹跟踪精度的影响,并与比例微分(PD)算法控制的机械臂末端轨迹跟踪效果相比较,验证在不改变控制器参数与结构的条件下,在不同重力环境下无模型控制算法的优越性。

考虑关节耗散的平面两自由度五杆机构动力学建模

将摩擦力视为外部非保守力,提出了包含耗散函数的Appell方程。应用运动影响系数法进行机构的运动学分析;构建了机构系统的路里叶耗散函数,推导出广义耗散力。建立了包含耗散函数的平面闭链五杆机构的动力学模型,并提出了解算方法。逆动力学计算结果验证了动力学模型的正确性,仿真结果表明关节摩擦对机构运动的影响显著。

考虑摩擦和参数不确定的平面五杆机构控制

建立了机构运动副摩擦的数学模型,将关节接触面间的作用力转换为理想约束力与摩擦力矩。将摩擦力矩视为外加非保守力,应用简化模型法建立了包含关节非线性摩擦的平面并联五杆机构的动力学模型。基于滑模变结构理论设计了该模型考虑参数不确定性的鲁棒轨迹跟踪控制器,并证明了其稳定性。实验和检测结果表明所建动力学模型正确,所设计的控制器对机构中的非线性摩擦力有较好的补偿效果并具有较强的鲁棒性。

浸渍PVA-H层的金属橡胶髋臼的摩擦性能试验研究

依据仿生设计原理研制浸渍聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)层的金属橡胶髋臼和可完成复合运动模式的人工髋关节摩擦试验机。试验研究不锈钢球与浸渍PVA-H层的金属橡胶髋臼配副及与聚四氟乙烯髋臼配副的摩擦性能。结果表明,相同条件下金属橡胶仿生髋臼的摩擦扭矩较小。分析认为,这是由于浸渍PVA-H层的金属橡胶髋臼本身具有良好的弹性阻尼,能够减少冲击,其多孔结构内储存润滑液,能靠变载挤压条件下的流体动静压效应改善润滑。

考虑摩擦的谐波驱动机器人低速运动控制方法

针对摩擦引起谐波驱动机器人低速运动时速度不平稳、控制精度差的问题,提出一种考虑关节摩擦影响的期望补偿鲁棒控制算法。通过对摩擦数据的频域分析,提出采用Stribeck模型+正余弦函数的形式来描述谐波驱动关节的摩擦特性。在此基础上,设计期望补偿鲁棒控制算法以处理关节摩擦和模型不确定性的影响。该算法采用前馈的方式补偿关节摩擦的影响,且前馈补偿项可采用期望轨迹数据离线计算得到,从而避免引入测量噪声,提高了实时性。根据系统中不确定性的界,设计了鲁棒控制项以保证系统的鲁棒性。采用Lyapunov理论证明闭环系统为全局一致最终有界稳定。实验结果表明,采用提出的摩擦模型与控制算法能够实现平稳的低速正弦跟踪,关节空间的平均跟踪误差在0.005°以内。

3-RPS并联机器人粘性摩擦工况动力学建模

以转动副轴线平行布置的3-RPS并联机器人为研究对象,提出一种基于拉格朗日算子修正的动力学建模方法。首先,采用矢量法建立系统运动学模型,基于拉格朗日方程法建立系统理想动力学模型。然后,将关节摩擦视为系统非保守力,基于"库伦+粘性"摩擦模型对关节摩擦所做的功精确量化处理。最后以摩擦所做负功的形式对拉格朗日算子进行修正,建立考虑全部关节摩擦的系统动力学模型。同时对所建立的考虑关节摩擦和忽略关节摩擦的动力学模型进行了仿真对比,结果表明,在一个仿真周期内,移动副1、2、3驱动力的相对误差分别为18.1%、12.6%、16.5%,试验结果为机器人控制系统的摩擦补偿提供了理论依据。

刚柔耦合关节SCARA机器人的双柔性动力学模型

针对电子装配机器人高速高精要求,提出一种能够利用柔性铰链变形补偿轴承摩擦死区,实现高精度定位运动的刚柔耦合关节SCARA机器人的概念设计,并建立考虑柔性铰链变形与机械臂一阶弹性变形的双柔性动力学模型。首先,设计一种刚柔耦合轴承的结构,通过轴承中柔性铰链的变形量主动补偿摩擦死区引起的定位误差;在每个关节处引入两个扭转弹簧,分别模拟柔性铰链和机械臂的弹性变形;其次,建立关节的摩擦模型以模拟关节摩擦环境;然后,使用拉格朗日动力学方法建立包含摩擦信息与振动信息的动力学模型。设计开环和闭环的数值仿真进行验证,结果表明该模型理论分析的有效性。

大型铰接并联六维测力平台摩擦建模

在已有制造工艺及标定技术基础上,为进一步改善大型铰接并联六维测力平台的测量精度,本文基于螺旋理论和影响系数原理,引入符号函数建立了Stewart结构大型铰接六维测力平台的摩擦模型。文中提出了关节摩擦对铰接并联六维测力平台测量精度的影响矩阵及I、H类误差表达式,绘制了在不同外载和关节摩擦系数条件下,六维测力平台的I、II类误差曲线,并总结丁关节摩擦和平台自重对测力平台测量精度的影响规律。为具有普通球形铰链人型Stewart平台六维测力下台精度的提高和改善提供了理论基础。