基于Multibody的并联柔索机器人建模与仿真

MATLAB/Multibody建模工具为科学研究和创新型教学提供了便捷高效的虚拟仿真平台。该文以3R3T并联柔索机器人的理论分析及建模仿真为例,首先介绍并联柔索驱动上肢康复机器人的总体结构和构型,并对3R3T并联柔索机器人进行运动学分析和轨迹规划;进一步基于Multibody建模工具构建3R3T并联柔索机器人多体动力学模型;最后联合运动学模型与Multibody虚拟样机模型进行仿真。仿真结果验证了运动学模型的准确性以及利用Multibody进行虚拟仿真的可行性。利用Multibody进行建模分析,为机构运动学、动力学等理论分析的实现提供了更便捷的平台,对虚拟仿真教学资源的建设有重要意义。

一种3自由度柔索牵引并联机器人系统动力学参数辨识方法研究

针对柔索牵引并联机器人驱动单元结构复杂、强耦合的特性导致难以辨识机电耦合系统动力学参数的问题,通过整合驱动单元各耦合部件的转动惯量和黏性阻尼系数的方法,将伺服电机和卷筒机构作为一个整体研究对象,建立系统的动力学模型,构建可分离待辨识参数的辨识模型。以傅里叶级数优化末端执行器的激励轨迹,搭建试验平台,采集试验数据;基于加权最小二乘法拟合电机转矩数据,分步辨识出机器人系统的动力学参数。对比试验表明:该文提出的动力学参数辨识方法可行且辨识结果可靠。

三自由度欠约束柔索驱动并联机器人的轨迹规划

柔索驱动并联机器人是一种特殊的并联机器人,属于柔性机器人的一类,它的末端执行器是由柔索代替刚性杆驱动实现其位姿的变化。研究了一种三自由度欠约束柔索驱动并联机器人,其索杆可以沿着圆形导轨旋转,即索杆夹角是可变的,实现机器人构型的可重构,减少柔索与柔索以及柔索与障碍物发生碰撞的概率。采用矢量闭环原理建立该机器人的逆运动学方程;根据拉格朗日公式建立该机器人的动力学方程;给定机器人末端执行器的运动轨迹,采用五次多项式进行规划,得出规划前后X、Y和Z方向的位移、速度和加速度曲线,在速度突变的点处,规划后的速度和加速度曲线实现光滑过渡,避免机器人在运动过程中发生振动和冲击,使得机器人末端执行器的运动轨迹平滑;三根柔索长度和拉力的实验曲线与规划后的期望曲线基本吻合,相机追踪轨迹与五次多项式规划后的运动轨迹基本一致;数值仿真和实验结果验证了三自由度欠约束柔索驱动并联机器人的逆运动学和动力学分析的正确性,以及五次多项式规划的有效性。

混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件,它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜(FAST)粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动,其工作特点类似并联机器人,因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型,首先进行了逆运动学分析;其次,采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型;最后,针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷,设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动,从而提高了馈源轨迹跟踪精度。

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度。针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式。基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关。以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度。数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的。研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用。

一种柔索并联机器人的可达工作空间分析与刚度评价

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统可视为一种柔索并联机器人(WDPR).基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,引入张力、球铰和索长约束条件,确定了WDPR的可达工作空间.进而,借助于有限元分析方法,利用静刚度阵的最小奇异值来评价该机器人的刚度性能.通过对LT50 m WDPR缩尺模型的空间运动数值仿真,绘制了三维可达工作空间图形及刚度曲面.分析结果表明,张力约束条件对LT可达工作空间影响最大,WDPR机器人与Stewart平台的刚度有明显差异.

柔索驱动并联机器人动力学建模与数值仿真

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为驱动元件,并结合了并联机构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜(Five-hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)粗调系统通过6根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的6自由度运动,其工作特点与并联机器人类似,因此可被看作柔索驱动并联机器人。基于此,根据FAST 5m缩比试验模型,首先应用悬链线解析表达式推导出柔索两端固定时索端拉力与索长之间的关系,用于求解特定长度的驱动柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力。其次,对该舱索系统进行逆运动学分析,采用拉格朗日方程建立柔索驱动并联机器人的逆动力学模型。最后,针对FAST 5m缩比模型的设计方案进行动力学仿真,数值结果表明该动力学建模是合理的。

可重构柔索并联机器人协同避障方法研究

针对可重构索驱动机器人自身结构与环境障碍物间高碰撞风险问题,设计了一种基于临界支撑线及多指抓握的可重构柔索机器人协同避障方法。通过简化环境障碍物与机器人结构得到一类可重构柔索机器人在复杂环境下的一般模型,在此模型基础上利用其结构的拓扑约束及障碍物间的临界支撑线求取机器人的无碰撞运动区域;通过凸包算法及凸包映射算法求取不同构型及障碍物分布下可重构柔索并联机器人的力封闭工作空间,并分析不同构型及障碍物分布对机器人无碰撞力封闭工作空间的影响;随后,通过优化算法求取指定运动轨迹上最优索分布;最后在重构索驱动机器人实验平台对所得优化结果进行验证。实验结果显示,所设计的可重构柔索机器人协同避障方法能有效避免重构索驱动机器人运动过程中的碰撞。

混合驱动柔索并联机器人系统集成设计

混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。

柔索驱动并联机器人变态模型相似性分析

分析了大跨度柔索驱动并联机器人(wire driven parallel robot,WDPR)变态模型的预测系数及相似度问题.建立了大射电望远镜(large radio telescope,LT)中WDPR系统的索张力和基频的相似性经验公式,并以此为基础获得了索张力和基频的预测系数.运用模糊数学理论确定出相似度的表达式.最后,通过模型试验和仿真分析验证出预测系数的有效性和相似度定义的合理性.研究理论为LT变态模型的试验奠定了基础.同时,研究方法也可应用到其它变态模型的相似性研究中.

柔索驱动并联机器人运动控制研究

针对柔索驱动并联机器人的工作特点,研究柔索驱动并联机器人的运动控制方法。通过对柔索驱动并联机器人系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到外界干扰等系统特性的分析,探讨了系统适用的控制策略。进一步,设计了一种将常规PI控制和Fuzzy控制相结合的Fuzzy-PI混合离散控制策略来实现柔索驱动并联机器人轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应快的特点,而且具有常规PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基础上,为了进一步提高Fuzzy-PI混合离散控制系统的适应能力,设计了一种带有自调整因子的模糊控制规则。数值结果表明,在相同给定条件下Fuzzy-PI控制算法、常规模糊控制和离散非线性PID控制算法跟踪期望轨迹时,沿X方向、Y方向和Z方向的跟踪误差分别在±10cm、±7cm、±3cm,±15cm、±8cm、±5cm,±15cm、±9cm、±4cm的范围内。

电驱动柔索并联机器人轨迹跟踪滑模控制

针对大射电望远镜粗调系统的非线性、大滞后、多变量耦合以及易受外扰等特点,提出了一种馈源轨迹跟踪的滑模控制策略.该方法通过分阶段加入指数趋近控制来加快系统的响应,同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数,不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性,而且能够有效地抑制颤动.

可缠绕式混合驱动柔索并联机器人可靠性分析

根据可缠绕式混合驱动柔索并联机器人的机构组成及工作原理,将失效模式与影响分析法(FMEA)和引入模糊集理论的故障树分析法(FTA)应用到该机器人系统的可靠性研究中,分析了机器人各子系统中零部件所有可能的故障模式、故障原因以及故障模式对系统的影响,找出了系统中潜在的薄弱环节和关键的零部件,通过理论计算可以得到机器人系统的故障隶属函数表及总体失效概率,结果显示机器人控制子系统对系统可靠性影响要大于机器人本体子系统和机器人动力子系统。研究结果对提高可缠绕式混合驱动柔索并联机器人系统可靠性有一定的指导意义。

6自由度柔索并联机器人的动力学建模与抗扰控制

大型射电望远镜柔索-馈源舱粗调子系统的改进方案通过8根柔索长度的协调变化来控制馈源舱的6自由度运动。首先进行了该机器人的运动学分析,并分别建立了末端执行器和驱动系统的动力学模型;其次,考虑柔索强度和电机负荷的约束条件,给出了以索力范数为目标实时优化求解索驱动力的方法;在此基础上,针对系统的非线性、强耦合特点以及随机风荷对系统的扰动,提出了一种新的复合控制策略。即利用基于绳长关节空间的PD修正前馈控制器引入非线性状态反馈补偿,通过干扰观测器观测外部扰动对电机跟踪性能的影响,进行振动抑制。数值结果表明方法的有效可行。

4-1型柔索驱动并联机器人稳定性度量及其灵敏度分析

4-1型柔索驱动并联机器人性能优越具有较好的应用潜力,但评价并保证机器人末端执行器的稳定性任务艰巨。为此,对4-1型柔索驱动并联机器人的稳定性度量方法进行研究,提出一种融合机器人末端执行器位置和约束力影响因子的稳定性度量方法及其指标;建立4-1型柔索驱动并联机器人稳定性灵敏度分析模型,探索并分析末端执行器位置和柔索驱动力等因素对机器人稳定性的影响程度,提出采用关联度研究和分析末端执行器位置及柔索驱动力等参数对机器人稳定性的影响程度。以4索驱动拣矸机器人为例,对所建立的稳定性度量模型及其敏感度分析模型进行仿真研究,得出了能够保证拣矸机器人末端抓斗满足预定稳定性要求的位置点集。稳定性敏感度研究结果表明:拣矸机器人稳定性对驱动力影响因素的敏感度较大,关联度为0.9387~0.9647;其次为位置影响因素,关联度为0.5439~0.7743。

附加被动控制索系的柔索并联机器人的优化设计和振动分析

大射电望远镜馈源支撑系统是一类欠约束型索牵引并联机器人。对附加被动控制索系的此并联机构首次从整个工作空间优化设计的角度建立其优化模型,并用实验和数值仿真验证其抑振的有效性。首先,基于动平台的非线性静平衡方程提出系统的两层规划模型;其次,在iSIGHT软件平台上对LT5 m被动控制构型的设计参数进行优化求解;最后,通过数值仿真及实验分别比较有无附加被动控制索系结构的振动特性。结果显示,仿真与实验结果的最大振幅基本一致,LT新构型可以显著抑制系统的风振。研究结论为欠约束型WDPR(wire driven parallel robot)系统的减振提供新思路,并对LT500 m工程的结构设计有很好的借鉴作用。

柔索驱动并联机器人的误差分析及其标定仿真

建立了大射电望远镜(Large Radio Telescope-LT)中柔索驱动并联机器人(Wire Driven Parallel Ro-bot-WDPR)系统的末端误差模型,用正向运动学标定方式对LT5m缩比模型的运动学参数做了辨识。首先,建立LT舱索系统的运动学正、逆解模型;接着,在运动学分析的基础上建立了其误差模型,得到影响末端位姿误差的各项参数;最后,对LT5m柔索并联机构的标定过程作了模拟,验证算法的有效性。结果显示该算法收敛性好,忽略测量误差的情况下能够保证运动学参数具有很高的标定精度,从而为提高LT5m模型的控制精度奠定了理论基础。

柔索驱动并联机器人定位误差的柔性补偿法

提出了用人工神经元网络(ANN)补偿大射电望远镜(LT)中柔索驱动并联机器人(WDPR)系统动平台位姿误差的方法。为了提高 WDPR 的运动精度,建立了3种可行的误差补偿方案,并运用 Levenberg-Marquart(L-M)算法训练了相应的3个神经元网络。标定仿真显示,基于索长补偿的柔性标定方案比基于动平台位姿补偿的标定方案好。研究结果为提高 LT 舱索系统的控制精度奠定了理论基础。

辅助运动索驱并联机器人方案设计与动力学分析

高龄化导致的脑卒中运动功能障碍患者需要借助于康复机构等进行辅助康复训练。设计一种辅助运动障碍患者从卧位到站立位基础姿态运动的四索驱并联机器人机构,利用电机驱动绞盘控制绳索伸长缩短辅助人体实现基础姿态的运动,绞盘缠绕处为钢丝绳,钢丝绳下端连接橡皮绳分别牵引在辅助人体运动的关键节点处。对机构进行运动学分析,求解索长与牵引点位置坐标的雅克比矩阵,并对绳索牵引人体达到坐立位、站立位运动过程人体运动角度及角速度进行预定规划。为了考虑橡皮绳弹性的动力学影响,基于拉格朗日动力学进行系统动力学建模,并利用Simulink开展动力学仿真,分析机构牵引人体运动过程中起卧角度、角速度及膝盖屈直角度、角速度的变化规律。在系统动力学模型基础上,应用非线性前馈补偿的PID控制方法对绳索收放长度进行控制,使绳索牵引人体安全、平缓地达到期望轨迹及期望速度,确保人体的舒适性,并利用Lyapunov方法证明控制系统的稳定性。针对有无重力补偿项、柔索变刚度和人体不同质量参数等因素对系统动力学影响进行了仿真,通过对比分析验证了弹性绳作为执行机构的必要性及控制律设计的有效性和稳定性。