基于绳驱动的多段柔性连续体机械臂的运动学与实验研究

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法,建立了任务空间和驱动空间的正逆运动学映射模型。以任务空间变量连续体机械臂末端位置为神经网络的输入量,驱动空间变量驱动绳的拉伸量为神经网络的输出量,拟合出了连续体机械臂末端位置和驱动绳拉伸量的映射关系。最后,进行了连续体机械臂的弯曲运动和轨迹跟踪实验。实验结果表明：双段连续体机械臂弯曲角度可达180°,验证了连续体机械臂具有大角度弯曲能力;在连续体机械臂末端的圆轨迹跟踪实验中,连续体机械臂的末端在x轴、y轴、z轴方向的平均绝对位置误差为1.743、1.334和1.172 mm,验证了连续体机械臂的运动学模型的有效性。     

双柔性机械臂伺服系统PI控制策略

柔性机械臂系统中的负载柔性、关节柔性会导致输出转速波动，故使用PI控制策略对伺服系统进行控制.根据连续体振动理论和拉格朗日方程建立同时考虑负载和关节两种柔性的动力学模型，并分析了两种柔性对系统传动特性的影响.使用Arnoldi方法对传递函数进行降阶，并对降阶误差进行评价.采用极点配置方法设计控制器参数，讨论了极点阻尼系数、自然频率等对系统动态特性的影响.最后进行双柔性机械臂的仿真分析和转动控制实验，结果表明：适当调整控制器参数可以有效减弱柔性机械臂伺服传动系统末端的转速波动，进而抑制机械谐振现象，使系统趋于稳定.     

助老助残轮椅用绳传动机械臂结构设计

针对传统轮椅机械手驱动结构复杂并且体积、自重偏大等问题,基于套索式柔性绳传动机构原理,设计一种助老助残轮椅用的绳传动机械臂结构;通过对轮椅机械臂的结构以及机械臂绳传动原理进行描述,建立机械臂的运动学方程,利用MATLAB软件求解该绳传动机械臂的运动仿真模型与工作空间进行运动学分析,并研制原理样机进行相应的实验验证。结果表明,通过该绳传动方式,可以将驱动电机安装在机械臂的臂体之外,利用绳索进行动力传递,从而实现分离驱动,并简化机械臂的结构,减小机械臂的体积、质量和能耗。     

大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

含区间铰间隙柔性机械臂控制精度分析

为了分析大变形、间隙碰撞和不确定性对机械臂动力学特性和控制精度的影响,提出了含区间铰间隙的柔性机械臂动力学建模方法和该动力学模型的求解方法.模型中采用绝对节点坐标法对柔性部件进行动力学建模,采用混合碰撞力模型和Ambrósio摩擦力模型建立关节铰间隙,并且采用区间变量描述间隙尺寸和部件杨氏模量.通过数值仿真分析表明:部件柔性和间隙会显著地影响机械臂动力学特性和控制精度,而且随着部件弹性模量减小、间隙尺寸增大,影响将更加显著;考虑不确定性时,机械臂的控制精度将降低,而且参数不确定性会显著影响该机械臂的动力学特性.     

柔性多体机械臂动力学仿真

本文介绍基于Ｊｏｕｒｄａｉｎ变分原理的柔性多体机械臂动力学方程的单向递推组集方法，并根据该方法开发了柔性多体系统动力学仿真软件ＦＭＳ，文末对空间四连杆机械臂机器人操作手进行了动力学仿真．     

索杆铰接式伸展臂柔性索变形仿真

对索杆铰接式伸展臂中的柔性索部件进行仿真模拟,采用传统弹簧质点模型方法建立绳索模型,将此三维网格模型作为标量场,通过改变三角网格所对应的梯度场和散度,并利用泊松方程在Eigen以及OpenGL的支持下实现柔性索的模拟变形。针对弹簧质点模型受到弹簧长度制约而导致的绳索不连续情况进行优化提高仿真效果,具备实时的仿真交互能力。实验结果表明,柔性索的模拟变形仿真具有较好的细节效果,能够更加平滑的模拟柔性索,并且在数值计算上更加精确。     

计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型及其控制策略

为了实现柔性机械臂主动柔性控制，基于Kane方程推导建立在惯性参考坐标系中的刚-柔机械臂的非线性动力学模型，并利用假设模态的方法对方程进行离散．在对刚-柔机械臂进行主动柔顺控制时，柔性机械臂要受到未确定外部环境的约束，因此，建立了计及环境特征的一般柔性多体系统动力学模型以及计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型，并分析研究了刚-柔机械臂主动柔顺控制策略．     

计及铰链间隙的机械臂动力学建模与仿真

工程中的机械多体系统都存在铰链间隙问题,铰链间隙使系统的约束条件、自由度数目和拓扑结构发生变化.根据Hertz接触定律和Coulomb摩擦定律,建立了含间隙平面旋转铰的力学模型;采用几何变形约束法和模态缩聚技术描述了柔性机械臂的非线性变形;同时考虑两个旋转铰的间隙特性和柔性臂的弹性,最终采用Kane方程建立了含铰链间隙的刚-柔机械臂系统的动力学模型.以Mathematica软件为编程工具.对含两个铰链间隙的双刚性臂系统进行了仿真计算,得到了更加真实的动力学响应.     

基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计

采用绝对节点坐标方法对空间柔性机械臂臂杆进行动力学建模,采用自然坐标法对机械臂关节进行建模,最终得到刚柔耦合的空间机械臂动力学模型.对冗余自由度机械臂进行逆运动学分析,由规划的末端轨迹得到了含自运动项的关节转角轨迹.利用动力学方程中Lagrange乘子的物理意义,对机械臂系统进行逆动力学分析,推导了关节轴瓦与轴颈在运动过程中受到的关节驱动力/力矩.利用粒子群算法优化机械臂的自运动项,得到了最小化的关节驱动力矩能耗,从而形成了一种冗余空间机械臂关节驱动力矩优化设计新方法.在平面三连杆柔性机械臂进行了数值仿真,仿真结果表明:所提出的方法在实现末端轨迹跟踪的同时,能有效降低关节力矩能耗;得到的关节力矩连续性好,能够满足工程实际需要.      

柔性机械臂动力学分布参数模型的建立

以单柔性机械臂为例, 转动动力学的规范理论为基础 , 给出建立分布参数动力学模型的一般方法； 并讨论了其离散化问题； 通过振动频率的研究探讨了纵向位移和离心力对机械臂的影响； 建立了一种合理的精确动力学模型.     

受限柔性机器人力／位置控制装置,建模与辨识

介绍作者研制的受限柔性机器人力／位置控制装置并讨论了此装置的动力学建模,经推导得到了受限柔性机器人的动力学模型,该模型同一般刚性机器人的模型相似且模型结构简明．最后用实验等方法辨识了模型的相关参数,对深入研究受限柔性机器人力／位置控制的理论与实验仿真有极大的参考价值．     

移动电话资费的几个问题

分析了目前我国移动电话业务资费及其存在的问题，并依据移动电话业务的成本，提出了移动电话业务的资费标准并指出主叫单向收费是我国移动电话资费改革的方向。     

仿人机械手设计与硬度感知研究

硬度作为物体的重要物理属性之一,在一定程度上影响了机械手对物体的智能抓取控制.为提高机械手自适应性、集成化和轻量化,本文设计并制作了基于3D打印技术的模块化多自由度仿人机械手.通过微型丝杠电机牵引钢丝绳运动,实现四指弯曲和拇指弯曲与侧摆.本文重点研究了仅基于电流传感器反馈的物体硬度感知策略,无需增加额外的外部传感器,弥补了大多数机械手难以直接区分物体软硬属性的缺陷.通过将该机械手与软体机械臂集成,实现了对不同硬度的软烂水果和新鲜水果的分类挑选.     

变曲率飞机壁板钻铆执行机器人的设计与仿真

自动钻铆执行机器人设计结构由末端执行器和多关节旋转机械臂组成.末端执行器通过转台结构的分度摆动实现不同执行部件工位的转换.末端执行器通过与旋转关节机械臂的协同作用,实现柔性自动化加工装配.用MATLAB软件仿真得到该机械臂的运动空间轨迹,再通过ADAMS软件仿真检验旋转机械臂的运动空间特性,满足变曲率壁板生产的需要.     

一种三自由度并联机器人的动力学分析

介绍了一种三自由度并联机器人系统,建立了系统固定坐标系和运动坐标系.使用有限元法和弯曲振动法分析了机器人的动力学特性,建立了机器人的动力学方程,并对比了假设模态法的动力学特性.通过机器人的实验系统获得了机器人的共振频率和阻尼比,并分析了共振模态.将三种计算方法得到的固有频率与实验值作了比较,结果表明假设模态法获得的固有频率更接近于实验值.     

机器人手臂新结构及其动力学和平衡问题的研究

本文提出一种机器人手臂新结构——“卡当”等效机构,分析推导了新的运动学和动力学方程,研究了重力平衡的方法和效果。分析研究表明,操作手手臂的重力力矩可以完全消除。这不仅有利于减小驱动力矩。也有利于操作手性能的提高。     

非线性系统神经模糊自适应控制的问题与策略

针对具有未知动力学的机械臂系统 ,提出一系列神经模糊自适应控制方法。提出神经模糊动态逆稳定自适应控制方法 ,该方法使用动态神经模糊系统逼近非线性动态系统 ,设计的动态逆控制器可以通过参数的设定保证闭环系统在初始控制段的动态性能 ,而无需事先要求机械臂状态位于某一紧集的假设。结合延时神经模糊网络 ,引入降维观测器估计输出重定义后机械手的速度矢量 ,从而建立了非线性系统的控制器观测器设计的新方法。采用了动态逆和“Back-stepping(后退 )”的技术 ,将以上方法成功推广到了考虑执行电机动力学特性的柔性连杆机械臂问题上     

柔性机械臂动力学的模态综合法

运用模态综合方法,导出柔性机械臂系统的动力学方程,并指出这种方法的优点,对单臂模型的数值计算结果验证了本文的方法。     

空间机械臂直接驱动、挠性的输入成型控制

针对空间环境和空间任务的特殊性,以空间机械臂模拟实验系统为研究对象,利用空间机械臂动力学模型,设计了脉冲输入成型器.它借助输入成型技术的前馈控制方法,有效地消除机械臂完成跟踪运动的余振动,实验证明:该系统的运动状况能够满足控制系统的要求.