关键词： 绝对节点坐标法   任意拉格朗日欧拉方法   变长度柔性索梁构件   绳驱机构   线缆动力学  

摘要： 变长度柔性索梁构件广泛应用于工程实际中,含有柔性索梁构件的机械系统的设计和分析涉及大变形大运动的柔性多体系统动力学和静力学问题。虽然柔性多体系统动力学经过几十年的发展,已形成了大量的理论和工程实际成果,但由于其本身的复杂性,对于很多柔性多体系统仍然没有成熟通用的解决方法。高压输电工程中的线缆架设系统、绳驱机构以及起重机的吊绳系统等是典型的含有柔性索、梁构件的机械系统。这些系统中由于柔性线缆本身的伸缩以及其与支撑结构的相互滑动、缠绕等运动,其动力学和静力学分析实际上是变长度柔性线缆系统的动力学和静力学问题,变长度、接触、滑移等特性使得这些系统的分析极为复杂,目前仍是工程中难点,尚无很好的解决方案。本文针对这些系统,基于绝对节点坐标法和任意拉格朗日欧拉描述,首先开展含变长度线缆的多体系统的建模方法研究,继而以此为基础,着重开展高压线缆架设过程中导线跑线和断线工况、覆冰线缆冰层清理工况、绳驱机构以及塔式起重机起升变幅工况的动力学建模和高效分析方法等几个方面研究。 开展了高压线缆的建模和动力学分析研究。针对高压线缆架设过程中线缆可能出现的线缆滑移的情形,采用基于绝对节点坐标法的分段连续缆索单元对高压线缆进行了建模。提出了适合描述大变形的分段连续缆索单元的弹性力模型。研究了高压线缆架设过程中导线出现跑线和断线的工况。为了描述高压线缆中的初始张力,提出了一种静态求解策略。求解了线缆在弹性力,重力和张力机拉力作用下达到平衡时的构型。将此平衡构型作为高压线缆动力学求解的初值,求解了线缆在受到张力破坏后断裂的动力学行为。同时研究了线缆在发生断裂之跨越多个塔架的工况。 对覆冰线缆冰层清理过程中线缆的动力学行为进行了分析。针对覆冰线缆清理过程中覆冰线缆的变结构特性,基于任意拉格朗日欧拉和绝对节点坐标法提出了一个可以灵活描述覆冰导线的冰层的厚度和导线长度的多层圆截面单元,称为任意拉格朗日-欧拉绝对节点坐标(ALE-ANCF)多层圆截面梁单元。利用提出的ALE-ANCF多层圆截面梁单元建立了覆冰线缆的动力学分析模型,研究了冰层的清理速度和线缆架设初始垂跨比对线缆中张力和线缆跨中节点位移的影响。研究结果为安全高效地清理冰层提供了理论依据。 开展了绳驱机构变长度线缆的建模和绳驱机构的动力学分析研究。针对绳驱机构中的线缆的变长度特性,传统的绝对节点坐标法需要不断地重新建立新的单元网格对具有新拓扑结构的线缆进行建模。这使得采用传统的绝对节点坐标法对绳驱机构中的变长度的缆索进行动力学分析时,效率比较低。基于绝对节点坐标法和任意拉格朗日欧拉法的结合提出了一种圆截面梁单元,被称为ALE-ANCF圆截面梁单元,该单元可以高效地描述变长度的柔性缆索。利用绝对节点坐标的参考节点对绳驱机构的末端执行器进行建模。构建了在绝对坐标体系下的绳驱机构的动力学分析模型。研究了线缆初始预张力对绳驱机构末端执行器在运动过程中轨迹和运动过程中绳驱机构线缆张力的影响。为提高绳驱机构的控制精度和减小绳驱机构的振动提供了理论支持。 对考虑塔式起重机振动的负载摆动抑制方法进行了研究。针对现有的塔式起重机摆动抑制研究忽略了结构振动和负载摆动之间的耦合的情况。提出了一种考虑塔式起重机振动的负载摆动的控制方法。已有的摆动抑制研究将吊绳长度的变化视为干扰。这导致现有的摆动抑制方法在实际工作情况下效果不佳。相比之下,本研究考虑了塔式起重机的结构振动。同时,吊绳长度被视为减少负载摆动的控制变量。结合相平面分析方法,提出了一种新的负载摆动抑制算法。此外,建立了系统的塔式起重机多体系统随吊绳长度变化的动力学分析平台,用于验证算法的有效性。塔式起重机的塔身和臂架采用传统有限元法建模,吊绳采用ALE-ANCF线缆单元建模。通过滑动约束将吊臂和吊绳连接,得到塔式起重机多体系统模型。算例表明,在考虑结构振动和有效载荷摆动之间的耦合时,本文提出的方法可以有效地降低负载的摆动幅度。

关键词： 四足机器人-机械臂系统   整体动力学   轨迹规划   全身控制   运动/力跟踪  

摘要： 四足机器人具有在不规则地形和复杂环境下行走的优势,可以用来执行山区勘探、灾区救援、导航巡检等工作。但是四足机器人与环境的交互仅限于足端,不具备操作能力。本课题在四足机器人机身安装具有操作能力的机械臂,研究四足机器人-机械臂系统的动力学特性与力跟踪控制方法,并通过仿真和实验验证控制方法的有效性。主要研究内容如下: 1.四足机器人和机械臂运动特征分析。对四足机器人-机械臂整体进行动力学分析,建立四足机器人-机械臂运动学树模型,求解各活动部件坐标系之间的空间运动向量变换矩阵,推导四足机器人-机械臂系统动力学表达式。 2.四足机器人-机械臂系统跟踪控制。规划系统运动为足端静止、臂末端直线轨迹运动,包括站立足端位置求解、笛卡尔空间机械臂轨迹规划;臂末端受力规划为恒定接触力。设计四足机器人-机械臂的运动/力跟踪任务,约束条件包括等式约束和不等式约束。将跟踪任务转化为QP问题。基于四足机器人-机械臂动力学模型计算期望的关节驱动力矩。设计四足机器人-机械臂系统整体控制框架。 3.四足机器人-机械臂系统跟踪控制仿真与实验验证。搭建四足机器人-机械臂虚拟样机与联合仿真平台,进行足端站立静止、机械臂在按照规划的轨迹运动时控制末端接触力始终为期望值的仿真。搭建四足机器人-机械臂实物样机,进行足端静止、机械臂末端运动时控制末端力保持恒定的实验。

关键词： 六自由度机械臂   运动学建模   动力学建模   动力学参数辨识   时间最优轨迹规划   凸优化  

摘要： 机械臂在现今的工业领域中应用越来越广泛,其中机械臂动力学参数辨识和最优轨迹规划仍是研究的热点话题。本文主要以实验室搭建的六自由度仿人机械臂为研究对象,对其运动学、动力学、动力学参数的辨识、最优轨迹规划等方面进行研究。首先,搭建了机械臂平台并建立机械臂的仿真模型,然后采用D-H法对其运动学进行分析,建立相应的坐标系并计算各关节之间的变换矩阵得到正运动学模型。通过数值计算来研究逆运动学,较准确的计算出每个关节的角度。在MATLAB中进行实验仿真,验证了其正确性。动力学模型则采用牛顿-欧拉迭代方式求解,为了后续参数辨识工作,将其转化为线性形式,然后求得对应的观测矩阵和最小惯性参数集。其次,设计了一个采用整体辨识方法的离线辨识动力学参数实验。根据机械臂物理特性如速度、加速度,采用傅里叶级数设计出一条轨迹作为激励轨迹,该轨迹能够有效的激发本机械臂各动力学参数的特性。然后让机械臂按照该轨迹运行并对各关节的位置、速度、力矩进行采集。基于卡尔曼滤波过滤后的相关数据,采用改进的迭代重加权最小二乘法进行参数辨识,并实验验证了参数的准确性。最后,基于辨识后的动力学模型,研究了具有动力学约束下的时间最优轨迹规划。为了解决动力学约束下一般时间最优问题的局部最优和全局最优问题,将其转化为凸优化控制模型,并添加了本机械臂的物理约束条件和动力学约束。在时间最优目标下,考虑了力矩变化率的影响因素,使机械臂可以更加方便的执行。通过实验,验证了该算法的可行性。

关键词： 协作机器人   移动机械臂   动力学   轨迹跟踪   约束  

摘要： 随着工业机器人应用的广泛和需求的多样化,传统的固定式工业单臂在某些应用场景下已经显现出局限性。协作移动机械臂能够弥补传统工业单臂在多数工况下的不足,但固定式协作机械臂也存在工作空间小等问题,移动机械臂协作系统则能够顺利适应此类工况,具有极大的潜力和广阔的应用前景。本研究选取双移动机械臂空间协作系统作为研究对象。本研究旨在探索协作移动机械臂系统有效的分析和控制设计方法,推动移动机械臂在工业自动化和服务机器人领域的应用,提高工作效率和质量。 本课题对双移动机械臂空间协作系统的动力学建模方法与轨迹跟踪控制设计进行了研究。在动力学建模方面,介绍了动力学建模与约束分析的常用方法。本研究中提出了一种基于对称划分方法和Udwadia-Kalaba方法的通用建模方法,通过断开负载中心,将系统划分为两个对称的子系统,并对子系统进行建模。子系统间的协作耦合关系以及理想轨迹等视为约束。根据Udwadia-Kalaba方法,将该约束转化为二阶微分形式,并通过Udwadia-Kalaba方法直接求出相应约束力的解析解。将约束力施加到子系统模型上,从而求出协作系统模型,该方法简化了建模计算量,且无需引入辅助变量。在此基础上,又讨论了现实中不确定性因素对系统产生的影响,设计了估测不确定性边界的自适应律,并提出了一种建模与控制一体化的自适应鲁棒控制算法,该控制算法仅需要不确定性具有有界性即可应用,且能够提高系统鲁棒性并降低控制成本,同时探索了Udwadia-Kalaba方法在三维空间中的应用。

关键词： 机械臂   动力学建模   动力学参数辨识   电流层面辨识  

摘要： 为了提升生产效率,方便日常生活,机械臂已广泛应用于许多行业,辅助人类完成各种繁杂的任务。高性能的运动控制是机械臂能够较好的完成目标任务的重要保障,而基于模型的控制能够有效的提升机械臂的控制性能,因此机械臂动力学参数辨识具有重要的研究意义。传统的动力学参数辨识都是在力矩层面进行的,而最近有研究提出了电流层面的动力学参数辨识概念。在此背景下,本文围绕机械臂的动力学参数辨识开展研究,着重研究电流层面的动力学参数辨识方法。遵照机械臂动力学参数的辨识流程,结合动力学参数辨识领域的研究热点,从以下几个方面展开研究工作: 首先,在电流层面完成考虑关节柔性与摩擦非线性的机械臂动力学建模,为研究工作奠定基础。基于MDH坐标系,在力矩层面使用牛顿-欧拉法建立线性化的动力学模型,并考虑关节的柔性与非线性摩擦,通过QR分解确定基本动力学参数。在力矩层面动力学模型的基础上,根据电流与力矩的近似线性关系,初步推导获得电流层面的动力学模型。 然后,基于电流层面的动力学模型推导动力学参数的物理可行性条件,对现有的电流层面动力学参数辨识的相关研究做出补充。在电流层面,根据动力学模型的结构推导动力学参数的形式,分析动力学参数的物理意义;在此基础上,参考力矩层面动力学参数的物理可行性,推导电流层面的物理可行性条件,并明确物理可行性条件在动力学参数辨识中的应用方式。 接着,基于建立的电流层面的动力学模型,提出多层迭代的电流层面的动力学参数辨识方案。辨识方案以迭代加权最小二乘法为基础,额外考虑数据加权、噪声加权、关节柔性、非线性摩擦与物理可行性等因素。在电流层面辨识的基础上,进一步辨识关节驱动增益系数与力矩层面的动力学参数。 最后,设计并完成动力学参数辨识实验。基于六自由度串联机械臂开展动力学参数辨识实验,设计优化激励实验轨迹,完成动力学参数辨识与验证实验,使用动力学参数辨识方案辨识获得动力学参数,并验证辨识方案的可行性。

关键词： 动力机械   动力吸振器   数值优化  

摘要： 本文以动力吸振器为研究对象，对其数值优化展开分析。经过数值优化后，动力吸振器能保持较好的工作水平，从而使得使用动力吸振器的船舶能保持较好的工作性能，减少内燃机给船舶其他机械设备带来的影响，保证船舶的运行安全。

关键词： 多轴系统   关节空间显式动力学   轴不变量   模型预测控制   扩张状态观测器  

摘要： 现有多轴航天器自由度高且有效载荷大,其动力学建模与控制存在建模复杂度高、实时性差和扰动下控制精度低的问题。本文以航天器多轴系统的典型代表空间机械臂为应用背景,首先提出多轴系统的关节空间显式动力学建模方法,实现动力学的自动建模和自动求解,以提高动力学建模效率并保证动力学模型在控制应用中的实时性;然后将所提出的动力学模型应用于关节驱动控制算法和空间机械臂动力学控制算法研究,以提高机械臂在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的控制性能。论文主要内容如下: 首先,分析多轴航天器的设计需求并系统阐述多轴系统动力学建模的理论基础。基于轴不变量理论,实现多轴系统的数学化描述,并以此构建轴链有向Span树来描述系统的拓扑结构。通过建立自然坐标系,实现对多轴系统结构参数和动力学参数的描述,并以此建立运动学正向分层迭代公式。同时,为了解决传统动力学建模方法中偏导数计算导致的动力学模型无法完全参数化表达的问题,在运动学迭代公式基础上推导不同关节类型的偏速度显式表达式,并以此推导外力反向分层迭代公式。 其次,提出基于轴不变量的迭代式关节空间正动力学显式建模方法,实现动力学的自动建模和自动求解,以提高多轴系统动力学建模的效率和求解的实时性。该建模方法一方面可以实现系统拓扑、结构参数及动力学参数的完全参数化,且链符号具有伪代码功能,因此具有较高的建模效率,便于实际的工程应用;另一方面,该方法所得到的动力学方程具有迭代式的表达形式,具有较高的计算效率。与现有的显式正动力学建模方法相比,所提出的动力学建模方法具有更低的建模和计算复杂度。此外,动力学方程中矩阵的每个元素都有独立的显式表达式,可以利用分布式关节控制器并行计算的方式来进一步减少动力学的运算时间。同时,基于所提出的动力学模型搭建机械臂和火星车的仿真平台,通过与现有建模方法的仿真结果进行对比,来验证所提出动力学建模方法的正确性和实时性。 然后,以所提出的动力学模型为基础,提出基于动力学逆模补偿的双曲正切关节控制器,在满足关节输出约束的同时提高关节在非线性耦合外力和关节摩擦影响下的动态响应速度和跟踪精度。基于所提出的动力学方程提出关节正压力的显式表达式,并以此给出显含正压力的关节摩擦力模型和辨识方法,以提高关节摩擦力模型的建模效率和精度。同时,提出改进的驱动控制算法,以提高关节的动态响应速度和跟踪精度:提出一种改进的空间矢量脉宽调制算法,以减小由MOS管开关状态切换导致的时延和输出力矩的波动;通过设计高带宽电流环和补偿驱动电路死区降低系统时延,以提高控制器的动态性能;提出基于逆模补偿的双曲正切控制器,以保证关节输出的有界性和方向性,同时提高关节在非线性耦合惯性力、关节摩擦力和重力负载扰动下的响应速度和跟踪精度。 接着,通过所提出的正动力学模型进行状态预测,提出一种基于扩张状态观测器的鲁棒模型预测控制器,以提高空间机械臂在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的轨迹跟踪精度。通过推导离散时间预测状态方程和改进预测参考轨迹,提出一种离散时间非线性模型预测控制器,以实现控制器在关节力矩约束条件下的最优控制输出。同时,提出一种基于动力学模型的非线性降阶扩张状态观测器,以增强控制器对模型误差扰动和未知外力扰动的抵抗能力。通过仿真实验验证所提出控制器在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的位置和速度跟踪精度。 最后,设计并搭建机械臂地面测试平台,通过实验验证本文所提出的模型和控制算法的性能。根据分析的机械臂的需求进行机械臂关节的选型,对机械臂关节驱动器的各个组件进行改进设计并提出一种新颖的失电制动器结构。为了提高关节控制器性能,重新设计控制器软件和电路。为了提高关节的可靠性,对传统的失电制动器结构进行改进设计,提出永磁式失电制动器结构,并建立其电磁模型。同时,为了验证所提出的模型和控制算法的性能,进行以下实验:通过单关节实验平台测试永磁式失电制动器的制动性能、Ether CAT控制器的实时性和关节的位置、速度和力矩的跟踪精度;通过关节摩擦参数辨识实验得到关节摩擦模型,为机械臂控制实验奠定基础;通过机械臂动力学控制实验验证提出的逆模补偿器的力矩补偿精度、双曲正切控制器的关节位置跟踪精度以及机械臂的末端轨迹的跟踪精度。

关键词： 机械臂   柔性关节   关节间隙   不确定性参数   自适应控制  

摘要： 随着科学技术的发展,工业自动化水平越来越高,机械臂已被广泛应用到许多领域,并发挥着十分重要的作用,如工业机器人、航空航天的空间机器臂、医疗机器人等。现今机械臂的高精度、高可靠性研究已经成为人们关注的焦点。而由于关节间隙(加工制造误差、磨损等)、关节柔性(减速装置、力矩传感器的非线性刚度问题)等会降低机械臂的运动精度和稳定性,造成机械臂末端振荡甚至失效。同时,考虑加工制造误差、磨损、材料变形等因素会使得机械臂系统中的几何、材料等建模参数存在不确定性,进而影响系统的运动精度和可靠性。在现今机械臂动力学建模中,常常忽略这些因素,为此,本文考虑关节间隙、柔性和系统不确定性的影响,建立更加精确的机械臂系统动力学模型,研究系统响应的可靠性,并对不确定性影响下含间隙的柔性关节机械臂进行自适应控制分析。论文的主要工作如下:(1)以拉格朗日法建立刚性关节机械臂动力学模型,基于谐波减速器的刚度测试实验,辨识出关节的非线性刚度,以Spong模型建立柔性关节动力学模型,以绝对节点坐标法建立间隙数学模型和接触碰撞力模型,将其耦合进柔性关节动力学模型中,建立含间隙的柔性关节机械臂动力学模型,研究关节非线性刚度和关节间隙对系统的影响。(2)以混沌多项式理论为基础,研究不确定性参数下,机械臂动力学的响应输出。以PCE算法求解不确定性系统模型,假设机械臂臂长、柔性关节刚度为随机参数,关节间隙为区间参数,分析随机参数、区间参数、随机区间混合参数下机械臂动力学系统的响应输出。(3)基于机械系统可靠性的建模理论,研究不确定性参数对机械臂末端运动精度和系统稳定性的影响,建立随机参数、区间参数、随机区间混合参数下系统的状态方程,以求解系统可靠性指标,进而求解系统可靠度,并以Monte Carlo方法进行验证。仿真分析了随机区间混合参数下机械臂末端位移、速度和角加速度响应的可靠度变化趋势。(4)针对机械臂系统中的关节柔性、关节间隙及不确定性等问题,研究了一种自适应控制方法。该方法以RBF神经网络逼近模型中的非线性项,以动态面的控制方法进行控制器设计,构造Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性,同时与传统的PID算法进行仿真对比,验证所设计控制算法的有效性。