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。

旋量键合图在Delta型3D打印机动力学建模中的应用

围绕Delta型3D打印机多能域机、电耦合系统动力学建模展开研究.利用旋量键合图在并联机器人动力学建模上的优势,构建了该打印机机械本体子系统的动力学模型,并结合传统键合图建立了驱动子系统的动力学模型,获得了打印机系统机、电耦合的全局动力学模型,形象、直观地描述了该系统各能域之间能量传递与交换的关系,并且体现了各构件之间运动力的传递关系.最后,通过MATLAB软件进行理论计算以及ADAMS软件进行数值仿真,对比验证了该系统动力学全局模型的合理性,为动力学控制研究奠定了基础,同时也为打印机系统动力学建模提供了新的思路.

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。

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。

4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

以4-DOF混联机器人为研究对象,分析了混联机器人的运动学,接着基于传统键合图建立了系统驱动部分(电动机和气动部分)键合图模型,基于旋量键合图建立了系统机械本体动力学模型,由于系统的并联部分引入冗余驱动,提出了采用输入力矩优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的机、电、气耦合的多能域系统动力学全解模型。冗余驱动分支在随动和施加优化得到的力矩(力/位混合控制)两种情况下,借助键合图自动化仿真软件(20-sim)进行多能域动力学仿真;并进行样机的控制试验,将仿真与试验得到的驱动力矩进行对比,验证了所建机器人系统多能域动力学模型的正确性。通过试验可以证明:力/位混合控制时样机运行更加平稳且能有效提高机构的运动精度。

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。

Delta型3D打印机多能域系统动力学全解建模与实验

对Delta型3D打印机多能域机、电耦合系统展开了动力学建模研究。利用旋量键合图在并联机器人动力学建模上的优势,构建了该打印机机械本体子系统的动力学模型,并结合传统键合图建立驱动子系统的动力学模型,获得打印机系统机、电耦合的全局动力学模型。对于给定的动平台运动轨迹,对比Adams数值仿真、Matlab理论计算以及实验实测驱动力结果,证明了该机构多能域系统动力学全解模型的正确性。该成果为后续动力学参数辨识以及动力学控制研究奠定基础,也为其他机械系统动力学建模提供了新思路。