機(jī)器人動(dòng)力學(xué)

動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)01研究背景柔性含間隙機(jī)構(gòu)及分析方法并聯(lián)目錄03050204基本信息機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的力和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系與平衡進(jìn)行研究的學(xué)科。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)處理物體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和控制算，主要研究動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題兩個(gè)方面，需要采用嚴(yán)密的系統(tǒng)方法來(lái)分析機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性。研究背景研究背景機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究是所有類(lèi)型機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中不可逾越的環(huán)節(jié)，也是形成機(jī)器人終極產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與重要的科學(xué)依據(jù)。以往機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)表明，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是機(jī)器人研發(fā)中不可或缺的基礎(chǔ)力學(xué)理論。隨著新型傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及智能與軟物質(zhì)材料的出現(xiàn)，可以預(yù)計(jì)柔性化、軟性化、可變化、微型化和控制智能化將成為未來(lái)機(jī)器人發(fā)展的重要方向，使機(jī)器人的各種作動(dòng)更接近生物體的仿生體，因此，以仿生為主要特征的剛?cè)狁詈?、柔軟體和變形機(jī)器人對(duì)任務(wù)和環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，其快速發(fā)展在一定程度上將促進(jìn)機(jī)器人研究的步伐，同時(shí)，這種趨勢(shì)和需求也將會(huì)使得機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和控制研究面臨重大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代機(jī)械向高速、精密、重載方向發(fā)展，機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題顯得特別重要，已經(jīng)成為直接影響機(jī)械產(chǎn)品性能的關(guān)鍵問(wèn)題。機(jī)構(gòu)及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向主要包括：柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、柔順機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等。

分析方法分析方法隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模方法已做了大量的研究工作，一般主要采用4×4齊次變換矩陣和3×3旋轉(zhuǎn)變換矩陣，從機(jī)器人各桿的位置入手，應(yīng)用某種力學(xué)原理，得出機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型。其中Lagrange方法是常用的方法之一，然而對(duì)復(fù)雜的多自由度機(jī)器人機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，建立并求解相應(yīng)的Lagrange方程并非易事，建立部件或系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，有許多計(jì)算機(jī)無(wú)法代替的、繁雜的人工計(jì)算工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型直接關(guān)系到機(jī)器人控制、動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力優(yōu)化等問(wèn)題的研究，一個(gè)好的動(dòng)力學(xué)模型不僅要求推導(dǎo)方便，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于理論分析，而且要程式化強(qiáng)，便于計(jì)算機(jī)編程和計(jì)算。分析方法的主要思想是用等效單元來(lái)代替系統(tǒng)中的真實(shí)部件，用等效單元組成的等效系統(tǒng)代替真實(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。等效單元的運(yùn)動(dòng)微分方程的表達(dá)形式規(guī)范統(tǒng)一，等效系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程的組裝簡(jiǎn)單方便，使人工分析計(jì)算量大大減少，適于計(jì)算機(jī)編程。最后，應(yīng)用于2-DOF平面并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模，通過(guò)和ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)行比較，為其他復(fù)雜機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析提供了一種新的建模手段。

柔性柔性在彈性及柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，與之相關(guān)的柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域也得到了較大的發(fā)展，從機(jī)器人機(jī)構(gòu)的角度看，其發(fā)展?fàn)顩r與柔性機(jī)構(gòu)有相似之處。雖然人們從控制角度提出了多種方法來(lái)對(duì)構(gòu)件柔性變形所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)問(wèn)題從機(jī)器人外部進(jìn)行了補(bǔ)償，使該問(wèn)題得到一定程度的解決，但對(duì)于機(jī)器人主體的柔性機(jī)構(gòu)內(nèi)在品質(zhì)卻沒(méi)有得到改善，使得機(jī)器人的整體性能難以真正提高。因此，從機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的角度出發(fā)，應(yīng)在改善其機(jī)械結(jié)構(gòu)和特性方面進(jìn)行深入研究，充分利用機(jī)構(gòu)冗余度、結(jié)構(gòu)柔性等機(jī)械特性，在冗余驅(qū)動(dòng)、欠驅(qū)動(dòng)等方面想辦法，從多部展冗余度柔性機(jī)器人、欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人、柔性機(jī)器人協(xié)調(diào)操作和冗余度柔性機(jī)器人協(xié)調(diào)操作等交叉領(lǐng)域的研究，同時(shí)，與先進(jìn)的控制方法相結(jié)合，從機(jī)器人的內(nèi)部特性和外部手段兩方面入手，綜合提高機(jī)器人的整體動(dòng)力學(xué)性能。

并聯(lián)動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)分析并聯(lián)技術(shù)分析并聯(lián)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)及機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域多年來(lái)的熱門(mén)研究課題，在并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面國(guó)內(nèi)外都己取得大量成果，但在并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方面的工作卻很少，只有一些初步成果。如果想要提高并聯(lián)機(jī)器人的工作能力，特別是動(dòng)剛度和精度，就必須從其動(dòng)力學(xué)這一根本問(wèn)題上下工夫?？梢哉f(shuō)，并聯(lián)機(jī)器人能否在加工機(jī)床、重型及精密操作等場(chǎng)合得到很好的應(yīng)用，最終是取決于動(dòng)力學(xué)這一關(guān)鍵問(wèn)題的解決程度。在此領(lǐng)域中，系統(tǒng)建立并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和分析方法、全面認(rèn)識(shí)其動(dòng)力特性、從而改善和提高其性能、最終設(shè)計(jì)出具有良好動(dòng)力學(xué)品質(zhì)的并聯(lián)機(jī)器人，在這一系列研究課題中還有許多工作要做。同時(shí)，如能考慮并聯(lián)機(jī)器人中部件的變形，與柔性機(jī)器人結(jié)合起來(lái)，還可以開(kāi)發(fā)出柔性并聯(lián)機(jī)器人這一新的研究方向，這對(duì)進(jìn)一步提高機(jī)器人性能、擴(kuò)展機(jī)器人研究領(lǐng)域都是具有積極作用的。

并聯(lián)機(jī)器人屬于空間多環(huán)機(jī)構(gòu)，由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)不存在累計(jì)誤差而具有高精度，所承受的載荷由各個(gè)分支分擔(dān)而具有高承載能力、較大的剮度，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕等特點(diǎn)，近些年來(lái)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛。動(dòng)力學(xué)與控制與大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)文獻(xiàn)相比,關(guān)于動(dòng)力學(xué)的文獻(xiàn)相對(duì)要少得多。早期進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的討論是Fichter和Merlet,在忽略連桿的慣性和關(guān)節(jié)的摩擦后,得出了Stewart機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程Sugim,通過(guò)分析關(guān)節(jié)約束反力的方法分析了Stewart機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)方程,但是文獻(xiàn)中缺乏動(dòng)力學(xué)條件的詳細(xì)推導(dǎo)。ODO和Yang通過(guò)NewtOn-Euler法,在假定關(guān)節(jié)無(wú)摩擦,各支桿為不對(duì)稱(chēng)的細(xì)桿(即重心在軸上且饒軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略)條件下,完成了Stewart機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)分析。Geng和Liu在簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的幾何和慣性分布后,推導(dǎo)出了機(jī)器人的Lagrangian方程,Ji分析了SteWart機(jī)器人腿的慣性對(duì)動(dòng)力性能影響，對(duì)于具有一般結(jié)構(gòu)和慣量分布的SteWart機(jī)器人,Dasgupta和Mruthyunjaya推導(dǎo)出了完整的逆動(dòng)力學(xué)方程,并利用NeWtOn-Euler法建立了一個(gè)高效的算法,能夠很好的應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)計(jì)算,他們運(yùn)用此法,得出了6-UPS和6-PSS型SteWart機(jī)器人封閉的動(dòng)力學(xué)方程,GOsselin指出由于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)特點(diǎn),并行計(jì)算方案可以很好的應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的計(jì)算問(wèn)題中去,。任務(wù)空間的動(dòng)力學(xué)公式利用NeWtOn-Euler法,將能夠很好的用于一般的并聯(lián)機(jī)器人,也可以用于其他類(lèi)型的并聯(lián)機(jī)器人,Stewart平臺(tái)機(jī)器人的控制也很少有文獻(xiàn)報(bào)道,幾乎是尚未解決的領(lǐng)域,現(xiàn)有的試驗(yàn)樣機(jī)也都是把各個(gè)自由度當(dāng)成完全獨(dú)立的系統(tǒng),采用傳統(tǒng)的PID控制,控制效果不夠理想,為使并聯(lián)機(jī)器人能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段,對(duì)其控制理論~控制系統(tǒng)與技術(shù)還需做進(jìn)一步深入的研究,關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和控制研究還沒(méi)有完全開(kāi)展起來(lái),盡管機(jī)器人完整的動(dòng)力學(xué)公式已經(jīng)有了,但關(guān)于他的動(dòng)力特性的結(jié)論很少,也還沒(méi)有研究出能夠充分利用并聯(lián)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的控制策略。含間隙機(jī)構(gòu)及含間隙機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副間隙是影響機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的重要因素之一，雖然與柔性機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等一起被列為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的前沿課題，但其研究成果相比之下卻要少得多。在含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)副分離準(zhǔn)則、混沌特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)性工作還不夠成熟，尚需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。最近，考慮關(guān)節(jié)中間隙問(wèn)題的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)開(kāi)始引起人們的興趣，這也是機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)新的研究方向之一，而它在很大程度上依賴(lài)于含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面