三自由度Delta机器人工作空间仿真方法研究

为了解决三自由度Delta机器人工作空间的仿真问题,在总结已有的Delta机器人工作空间仿真方法的基础上,基于Matlab和Catia提出了三种具有代表性的Delta机器人工作空间仿真方法,以实验室已有的三自由度Delta机器人为研究对象,按照其结构参数使用三种方法进行工作空间的仿真,对仿真结果进行对比分析,用实验室实物测量的数据进行验证。结果表明:三种仿真方法得到的工作空间相同,说明三种仿真方法都是可行的,其中基于Matlab位置正解法的仿真方法具有主动杆输入角度范围可调的优点,仿真结果与实验室测量数据吻合度最高,将主动杆输入角度逐步增大并使用该方法进行仿真发现:工作空间由下至上,由中心至边缘,沿三根主动杆方向,逐渐增加,直至完整。

基于固定接触约束的多指灵巧手动力学建模

多指灵巧手通过与被操作对象间产生接触来完成操纵任务,两者间不同的接触方式会影响其对操纵任务的完成准确度,而动力学模型是进行动力学特性分析的基础,同时也是实现对机械系统高精度实时控制的基础。如何在系统运动方程中加入灵巧手与被操作物体间的接触约束成为灵巧手动力学建模过程中的难点。传统的动力学建模方法(如拉格朗日乘子法和Kane方法等)通常借助辅助变量来将约束引入系统模型之中,虽然能够得到正确的运动方程,但也使计算过程更为复杂。相较而言,作为拉格朗日力学的扩展研究而提出的Udwadia-Kalaba方法能够在不使用额外变量的同时保证模型的准确性。因此,本研究通过分析多指灵巧手和被操作对象间的接触约束,利用Udwadia-Kalaba方法建立多指灵巧手和被操作对象整体的动力学模型,为后续对灵巧手进行实时控制提供模型基础。

机械系统动力学Rosenberg嵌入法的扩展与解耦:一阶约束与二阶约束的整合

如何正确又有效地将非完整约束引入一直是机械系统动力学建模的重点和难点。传统的机械系统动力学建模方法(如:拉格朗日乘子法、Gibbs-Appell方法和Kane方法)通过借助拉格朗日乘子、广义伪速度和伪加速度等辅助变量来建立系统的运动方程,这些方法正确,但步骤复杂、计算量大。相比而言,伯克利大学力学大师Reinhardt M.Rosenberg提出了一种完全不同的约束嵌入方法,该方法将约束嵌入到虚位移中,再借助基本方程来建立机械系统的动力学模型,可获得低维的机械系统动力学模型。与上述传统建模方法相比,Rosenberg嵌入法简单、直观且无需辅助变量,弥补了其他约束嵌入建模方法在机械系统动力学中可能存在不适用问题(特别是非完整约束)。然而,该方法借助“嵌入”约束对系统降维,存在降维后的动力学模型耦合性较强,且后续解耦困难等问题。因此,创新地提出将约束的一阶与二阶形式进行整合的思想,对Rosenberg方法进行扩展和补充,建立完全解耦的机械系统动力学模型,并利用经由完全不同理念所推导出的Udwadia-Kalaba方程对扩展后的Rosenberg嵌入法进行理论验证,确认扩展后的方法正确、有效。其次,基于扩展后的Rosenberg嵌入法,建立了太空悬浮机器人和三轮全向移动机器人的动力学解析模型,通过与Udwadia-Kalaba方程建立模型的数值仿真结果相对比,完全验证了所建动力学模型的正确性,为机械系统动力学建模提供了一个具有实际应用价值的新方法。

多手指机器人动力学建模方法

为了获得多手指机器人动力学解析模型,解决(建模过程)由于系统质量矩阵奇异造成的系统运动方程无解问题,应用Udwadia-Kalaba建模理论,提出了一种新的针对手指机器人的扩展层级建模方法,获得了系统动力学解析模型,解决了手指机器人系统质量矩阵奇异时运动方程无解的问题;以二维三手指机器人为实例,应用扩展层级建模方法,建立了手指机器人和抓取对象组成的多刚体系统动力学解析模型;将三手指机器人的动力学模型进行数值仿真,仿真结果连续、收敛。研究结果表明:提出的建模方法可行、有效,可以快速、高效地建立多手指机器人的动力学模型,可以获得抓取力模型和手指关节力矩模型的解析形式,为进一步实现多手指机器人的力/位混合控制奠定了理论基础。

差速双滚筒搅拌均匀性建模及多目标参数优化

为探究差速双滚筒的颗粒搅拌均匀性和参数最佳匹配值,选择线速度、滚筒倾斜度和搅拌叶片安装角作为独立变量,利用Box-Behnken方法设计了三因素三水平的试验方案,利用离散元法和响应曲面法建立了相应的数学模型,对模型进行了方差分析和参数优化,得到了差速双滚筒的参数优化匹配值.结果表明:差速双滚筒在细颗粒搅拌均匀性方面有优势,所建数学模型具有很好的拟合性,参数优化后使混合料的级配稳定性满足工程要求.