小摆角两轮机器人动力学建模及控制器设计

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件,它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜(fast)粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动,其工作特点类似并联机器人,因此也被看作柔索并联机器人。基于fast5m缩比实验模型,首先进行了逆运动学分析;其次,采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型;最后,针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷,设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫pid控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动,从而提高了馈源轨迹跟踪精度。

设计一种履带式永磁真空混合吸附的船舶壁面除锈爬壁机器人,该机器人具有负载大、本体重特点,且机器人负载质量以及重心位置随爬壁高度变化。根据机器人爬壁运动原理,建立机器人沿船舶壁面上爬和转弯的动力学模型,运用模糊优化理论对模型进行优化和仿真分析,规划机器人的安全工作范围,分析机器人在典型爬壁高度下的驱动上爬能力,讨论在理论转矩、最大转矩和额定转矩下的机器人上爬的高度与角度关系,研制试验样机进行爬壁转弯试验、定负载上爬试验和变负载上爬试验。仿真和试验结果表明,机器人动力学优化模型可靠,运动性能受永磁吸附力、真空力、射流反击力等影响很小,而受本体重力、爬壁高度和壁面倾角影响较大,所规划的机器人安全工作范围合理。

介绍了4种支承轮式管道机器人变径方案的工作原理,比较分析得出丝杠螺母副变径机构具有更高的驱动效率。在此基础上,基于虚功原理分析了丝杠螺母—支承杆变径机构的驱动特性,并应用多体动力学仿真软件adams对其进行了动力学仿真验证,结果显示丝杠螺母—支承杆变径机构具有更高的驱动效率和更强的管径适应能力,并给出了其驱动电动机随管径变化的一般动力学特性,为支承轮式管道机器人推广应用奠定了基础。

中国科学技术大学 硕士学位论文 基于假想柔顺控制的膝关节助力机器人动力学分析及其运动控 制 姓名：谢兴旺 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：余永研 2011-05 摘要 摘要 近年来随着全球范围内人口老年化趋势日益加剧，可穿戴型助力机器人已 经成为重点的研究领域之一，膝关节助力机器人作为可穿戴型助力机器人的重要 组成部分，科学家对其技术的开发和研究已经取得巨大的进步。膝关节助力机器 人将环境感知和多传感器信息融合和运动控制等多种功能集于一身，是典型的人 机一体化系统。当人穿上膝关节助力机器人时，机器人在人的智力指导下为人的 行走提供助力从而扩展了人的运动能力和活动范围。 在国家自然科学基金“可穿戴型智能助力机器人技术研究”的资助下，本 文采用假想柔顺控制策略和pid控制算法，实现了膝关节助力机器人为人提供助 力的目的。具体内容包括： 1．通过分析

应用牛顿-欧拉方法推导了6自由度机器人的动力学方程,在matlab中进行了编程求解。并应用adams软件建立虚拟样机模型进行动力学仿真,用仿真的结果验证了编程计算的正确性。最后采用adams的参数化分析方法,搜索出了满足一定约束条件下机器人各关节的最大驱动力矩,为机器人电机精确选型提供了参考依据。

采用pro/e和adams软件相结合的方法,建立了草方格铺设机器人动力学模型,同时探讨了二者联合建模仿真的一般步骤。模型添加必要的边界条件后,对纵向压轮和横向插刀正常动作时的草方格铺设机器人振动状态进行了仿真。通过仿真,得到了牵引车、纵向铺设机构、横向铺设机构、纵向压轮和横向插刀质心的位移、速度以及加速度曲线。分析了这些曲线出现波动的原因,为进一步的优化提供了数据。通过试验,得到实际状态下的试验曲线,并与仿真曲线进行对照,证实了草方格铺设机器人仿真模型和仿真结果的合理性和可靠性。

传动机构是仿人按摩机器人手臂的关键部分,结合仿人按摩机器人手臂的特点采用直齿圆锥齿轮传动方式,设计了仿人按摩机器人手臂的传动机构。运用solidworks三维建模软件,结合直齿圆锥齿轮齿廓渐开线方程,完成了直齿圆锥齿轮实体造型并实现了模型的参数化。利用adams软件对建立的直齿圆锥齿轮模型进行运动学仿真分析,为齿轮的设计改进以及间隙调整提供了参考依据。实践证明,solidworks与admas相结合的方法提高了齿轮的设计效率和传动精度。

进入锅炉的给水中如果含有氧气,将会使给水管道、锅炉设备及汽轮机通流部分遭受腐蚀,缩短设备的寿命。除氧器的主要作用是用它来除去锅炉给水中的氧气及其他气体,保证给水的品质。目前,对于除氧器动态数学模型已有比较成熟的研究。由于现场工况复杂,除氧器全工况数学模型也比较复杂,不易理解。也有基于simulink搭建的仿真模型,但内部机理不够直观。系统动力学仿真采用流量存量图来构建模型,不仅简洁直观,而且能够体现系统内部各变量之间的相互关系,这也是将其应用于电厂建模与仿真上的优势。

降压型、升压型和升压-降压型dc-dc变换器是应用广泛的基本开关dc-dc变换器.电流模式控制开关dc-dc变换器在较宽的电路参数范围内具有两个边界,基于开关切换前后电感电流的上升和下降斜率,建立了斜坡补偿电流模式控制开关dc-dc变换器的统一模型.该模型进行无量纲归一化处理后只有三个参数,可有效展示开关dc-dc变换器在电感电流连续传导模式(ccm)和电感电流不连续传导模式(dcm)时的动力学特性.利用此模型,导出了轨道状态发生转移时的两个分界线方程,由此确定了开关dc-dc变换器的稳定周期1域、ccm鲁棒混沌域和dcm弱混沌强阵发域三个工作状态区域.开关dc-dc变换器二维参数映射图和电流模式控制降压型dc-dc变换器的电路实验观察验证了由两条分界线划分工作状态域的正确性.

针对重型自卸汽车的开发,应用多体动力学分析软件adams建立了自卸汽车数字化模型,进行了随机路面下的平顺性仿真试验,综合评价了自卸汽车驾驶员舒适性能。

基于修正的固定界面子结构模态综合法———craig-bampton法,利用多体系统动力学仿真分析软件msc.adams与有限元分析软件msc.nastran完成对双连杆柔性机械臂动力学建模,进行了运动学仿真分析,并且与刚性臂运动相比较,对柔性机械臂末端运动振动信号进行了频谱分析。分析结果表明,这种方法在多柔体系统建模和分析中是精确和高效的。

油漆沉积率模型是自动编程工艺参数选取的重要依据,为了建立符合实际工况的漆膜模型,采用喷涂机器人喷涂时椭圆型雾锥的实验数据,将贝叶斯归一化神经网络法和遗传算法分别用于漆膜模型的拟合。经过对比分析,采用2种算法得出模型都具有较高的精度,但遗传算法收敛速度更快,并可得出油漆沉积率方程的具体表达式,更适合油漆沉积率建模。

设计了1种永磁真空混合附壁的船舶壁面除锈爬壁机器人,该机器人负载大、本体重,机器人的附壁面法向存在水射流反冲力和真空负压压力。建立了机器人下滑和后翻两静态模型,结合船壁面法向的3种受力状态,分别对下滑模型和后翻模型进行了分析,并将两模型永磁单元所需吸附力进行了对比。仿真和实验结果表明,真空负压提高机器人附壁能力明显,可以较大地降低永磁吸附单元所需吸附力,减小机器人负载,较低的真空负压可实现辅助永磁良好附壁,在保证灵活运动的前提下吸附可靠。

研究潜孔钻机优化定位和结构设计问题,潜孔钻机钻臂是一种复杂的多关节机构的特点,传统的方法采用机器人动力学模型求解困难。为了提高设计的可靠性和有效性,提出一种虚拟样机技术进行设计,建立仿真系统。首先采用pro/e和adams建立钻臂虚拟样机模型,再结合实际工况对钻臂四个典型动作进行动力学仿真,得到各液压缸受力变化曲线。实验结果进行了对比。实验表明仿真模型和仿真结果合理可靠,为进一步进行钻臂设计和研究提供了可靠的参考依据。

采用pro-e建立三维模型,采用电磁有限元分析软件flux计算磁脱扣器的电磁力,最后在多体动力学仿真软件adams中进行小型断路器机构的断开过程的动力学仿真,并研究了各作用力对分断速度的影响。通过实验验证,证明仿真是可行、正确的。

动力固定是一种全新的浮桥固定方法,具有重要的实际应用价值.提出把整个浮桥系统作为研究对象,建立了分置式动力固定浮桥的动力学模型,对浮桥的运动进行了分析,按照动力固定控制系统要求对模型进行简化.由于浮桥系统的复杂性,考虑到动力舟在实际使用中容易发生故障,提出将系统在动力舟失效情况下的容错控制问题转换为lmi的可行性问题,设计浮桥的鲁棒h∞容错控制系统,以浮桥模型试验测得的水阻力等外界干扰力为依据,对浮桥动力固定特性进行数学仿真.仿真结果证明了建模方法的正确性,同时,说明当动力舟发生故障时,所设计的鲁棒h∞容错动力固定控制系统能够有效地保持浮桥的横向稳定性.

根据电控高压共轨系统供油泵的工作特点,运用凸轮机构动力学原理建立了凸轮机构动力学多自由度模型,并利用simulink建立了该凸轮机构的仿真模型,参照bosch泵凸轮机构的结构参数,计算了凸轮从动件-柱塞的实际位移与其理论位移的误差.通过仿真分析,研究各设计参数对凸轮运动规律的影响,为电控高压泵的优化设计提供了良好的理论依据.

利用拉格朗日建模方法推导出基于惯性飞轮平衡原理的独轮机器人侧向通道动力学方程.在该动力学方程基础上分别设计了pd和lqr两种控制器,并分别进行了仿真和物理实验验证.实验中独轮机器人从侧倾一定角度,在控制的惯性飞轮运动作用下最终回到竖直平衡位置,完成了独轮机器人侧平衡控制目标.仿真和物理实验结果均证明了所建立的动力学方程的正确性和控制器的有效性.

用拉格朗日方法对创新的3ptt型水平滑块式三杆并联机器人机构进行了动力学建模,为该机器人的控制提供了基础·还利用动力学模型对该机器人的可操作性和动力学特性进行了分析,分析结果证明,该机器人在工作空间内部,其加速特性和动态特性良好,而在工作空间边缘,加速特性和动态特性变差·滑块驱动力随平台重量增加而增加,加速时间应适当,且磨削力对滑块驱动力也有影响·该新型并联机器人动力学性能良好,具有很好应用价值·

对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究。基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程。为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性。仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性。

轮式机器人是一个典型的非完整性系统。由于非线性和非完整特性,很难为移动机器人系统的轨迹跟踪建立一个合适的模型。介绍了一种轮式机器人滑模轨迹跟踪控制方法。滑模控制是一个鲁棒的控制方法,能渐近的按一条所期望的轨迹稳定移动机器人。以之为基础,描述了轮式机器人的动力学模型并在二维坐标下建立了运动学方程,根据运动学方程设计滑模控制器,该控制器使得机器人的位置误差收敛到零。

文章在此对两轮机器人的控制进行研究,主要目的是针对pid控制器参数较为困难的问题进行解决。文章在此设计了一种新的方法,构建神经元pid控制器。通过利用该控制器,神经元的自适应能力与自学习能力得到了极大的改善。可以对控制器的各项参数进行在线的实时调整,进而针对两轮机器人构建了非线性模型,对神经元pid控制系统进行了讨论,然后对其算法进行了探讨,并分析了该项控制器的参数,进而在两轮机器人的平衡控制中应用文章所设计的控制器。最后,将文章设计的控制器与传统的控制器进行对比,通过仿真模拟增强了该控制器的有效性与准确性,再在两轮机器人物理系统中应用该控制器,实际取得的效果非常好。