小擺角兩輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及控制器設(shè)計(jì)

柔索并聯(lián)機(jī)器人采用柔索代替連桿作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件,它結(jié)合了并聯(lián)結(jié)構(gòu)和柔索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。500m口徑大射電望遠(yuǎn)鏡(fast)粗調(diào)系統(tǒng)是通過六根索長的協(xié)調(diào)變化使饋源艙作跟蹤射電源的六自由度運(yùn)動(dòng),其工作特點(diǎn)類似并聯(lián)機(jī)器人,因此也被看作柔索并聯(lián)機(jī)器人?；趂ast5m縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?首先進(jìn)行了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;其次,采用拉格朗日方程建立了柔索并聯(lián)機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)模型;最后,針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)模擬作用在饋源艙上的隨機(jī)風(fēng)荷,設(shè)計(jì)了用模糊控制器自動(dòng)調(diào)整免疫系統(tǒng)反饋規(guī)律的免疫pid控制器來控制饋源軌跡跟蹤的風(fēng)振響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了該主動(dòng)控制策略能夠有效衰減風(fēng)荷振動(dòng),從而提高了饋源軌跡跟蹤精度。

設(shè)計(jì)一種履帶式永磁真空混合吸附的船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人,該機(jī)器人具有負(fù)載大、本體重特點(diǎn),且機(jī)器人負(fù)載質(zhì)量以及重心位置隨爬壁高度變化。根據(jù)機(jī)器人爬壁運(yùn)動(dòng)原理,建立機(jī)器人沿船舶壁面上爬和轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力學(xué)模型,運(yùn)用模糊優(yōu)化理論對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析,規(guī)劃機(jī)器人的安全工作范圍,分析機(jī)器人在典型爬壁高度下的驅(qū)動(dòng)上爬能力,討論在理論轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩下的機(jī)器人上爬的高度與角度關(guān)系,研制試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行爬壁轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)、定負(fù)載上爬試驗(yàn)和變負(fù)載上爬試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人動(dòng)力學(xué)優(yōu)化模型可靠,運(yùn)動(dòng)性能受永磁吸附力、真空力、射流反擊力等影響很小,而受本體重力、爬壁高度和壁面傾角影響較大,所規(guī)劃的機(jī)器人安全工作范圍合理。

介紹了4種支承輪式管道機(jī)器人變徑方案的工作原理,比較分析得出絲杠螺母副變徑機(jī)構(gòu)具有更高的驅(qū)動(dòng)效率。在此基礎(chǔ)上,基于虛功原理分析了絲杠螺母—支承桿變徑機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)特性,并應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件adams對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證,結(jié)果顯示絲杠螺母—支承桿變徑機(jī)構(gòu)具有更高的驅(qū)動(dòng)效率和更強(qiáng)的管徑適應(yīng)能力,并給出了其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)隨管徑變化的一般動(dòng)力學(xué)特性,為支承輪式管道機(jī)器人推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于假想柔順控制的膝關(guān)節(jié)助力機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及其運(yùn)動(dòng)控 制 姓名：謝興旺 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 指導(dǎo)教師：余永研 2011-05 摘要 摘要 近年來隨著全球范圍內(nèi)人口老年化趨勢(shì)日益加劇，可穿戴型助力機(jī)器人已 經(jīng)成為重點(diǎn)的研究領(lǐng)域之一，膝關(guān)節(jié)助力機(jī)器人作為可穿戴型助力機(jī)器人的重要 組成部分，科學(xué)家對(duì)其技術(shù)的開發(fā)和研究已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步。膝關(guān)節(jié)助力機(jī)器 人將環(huán)境感知和多傳感器信息融合和運(yùn)動(dòng)控制等多種功能集于一身，是典型的人 機(jī)一體化系統(tǒng)。當(dāng)人穿上膝關(guān)節(jié)助力機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人在人的智力指導(dǎo)下為人的 行走提供助力從而擴(kuò)展了人的運(yùn)動(dòng)能力和活動(dòng)范圍。 在國家自然科學(xué)基金“可穿戴型智能助力機(jī)器人技術(shù)研究”的資助下，本 文采用假想柔順控制策略和pid控制算法，實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)助力機(jī)器人為人提供助 力的目的。具體內(nèi)容包括： 1．通過分析

應(yīng)用牛頓-歐拉方法推導(dǎo)了6自由度機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程,在matlab中進(jìn)行了編程求解。并應(yīng)用adams軟件建立虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,用仿真的結(jié)果驗(yàn)證了編程計(jì)算的正確性。最后采用adams的參數(shù)化分析方法,搜索出了滿足一定約束條件下機(jī)器人各關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動(dòng)力矩,為機(jī)器人電機(jī)精確選型提供了參考依據(jù)。

采用pro/e和adams軟件相結(jié)合的方法,建立了草方格鋪設(shè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)探討了二者聯(lián)合建模仿真的一般步驟。模型添加必要的邊界條件后,對(duì)縱向壓輪和橫向插刀正常動(dòng)作時(shí)的草方格鋪設(shè)機(jī)器人振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真。通過仿真,得到了牽引車、縱向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)、橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)、縱向壓輪和橫向插刀質(zhì)心的位移、速度以及加速度曲線。分析了這些曲線出現(xiàn)波動(dòng)的原因,為進(jìn)一步的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)。通過試驗(yàn),得到實(shí)際狀態(tài)下的試驗(yàn)曲線,并與仿真曲線進(jìn)行對(duì)照,證實(shí)了草方格鋪設(shè)機(jī)器人仿真模型和仿真結(jié)果的合理性和可靠性。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是仿人按摩機(jī)器人手臂的關(guān)鍵部分,結(jié)合仿人按摩機(jī)器人手臂的特點(diǎn)采用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)方式,設(shè)計(jì)了仿人按摩機(jī)器人手臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)用solidworks三維建模軟件,結(jié)合直齒圓錐齒輪齒廓漸開線方程,完成了直齒圓錐齒輪實(shí)體造型并實(shí)現(xiàn)了模型的參數(shù)化。利用adams軟件對(duì)建立的直齒圓錐齒輪模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,為齒輪的設(shè)計(jì)改進(jìn)以及間隙調(diào)整提供了參考依據(jù)。實(shí)踐證明,solidworks與admas相結(jié)合的方法提高了齒輪的設(shè)計(jì)效率和傳動(dòng)精度。

進(jìn)入鍋爐的給水中如果含有氧氣,將會(huì)使給水管道、鍋爐設(shè)備及汽輪機(jī)通流部分遭受腐蝕,縮短設(shè)備的壽命。除氧器的主要作用是用它來除去鍋爐給水中的氧氣及其他氣體,保證給水的品質(zhì)。目前,對(duì)于除氧器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型已有比較成熟的研究。由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜,除氧器全工況數(shù)學(xué)模型也比較復(fù)雜,不易理解。也有基于simulink搭建的仿真模型,但內(nèi)部機(jī)理不夠直觀。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真采用流量存量圖來構(gòu)建模型,不僅簡潔直觀,而且能夠體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各變量之間的相互關(guān)系,這也是將其應(yīng)用于電廠建模與仿真上的優(yōu)勢(shì)。

降壓型、升壓型和升壓-降壓型dc-dc變換器是應(yīng)用廣泛的基本開關(guān)dc-dc變換器.電流模式控制開關(guān)dc-dc變換器在較寬的電路參數(shù)范圍內(nèi)具有兩個(gè)邊界,基于開關(guān)切換前后電感電流的上升和下降斜率,建立了斜坡補(bǔ)償電流模式控制開關(guān)dc-dc變換器的統(tǒng)一模型.該模型進(jìn)行無量綱歸一化處理后只有三個(gè)參數(shù),可有效展示開關(guān)dc-dc變換器在電感電流連續(xù)傳導(dǎo)模式(ccm)和電感電流不連續(xù)傳導(dǎo)模式(dcm)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性.利用此模型,導(dǎo)出了軌道狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)的兩個(gè)分界線方程,由此確定了開關(guān)dc-dc變換器的穩(wěn)定周期1域、ccm魯棒混沌域和dcm弱混沌強(qiáng)陣發(fā)域三個(gè)工作狀態(tài)區(qū)域.開關(guān)dc-dc變換器二維參數(shù)映射圖和電流模式控制降壓型dc-dc變換器的電路實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證了由兩條分界線劃分工作狀態(tài)域的正確性.

針對(duì)重型自卸汽車的開發(fā),應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件adams建立了自卸汽車數(shù)字化模型,進(jìn)行了隨機(jī)路面下的平順性仿真試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)了自卸汽車駕駛員舒適性能。

基于修正的固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法———craig-bampton法,利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件msc.adams與有限元分析軟件msc.nastran完成對(duì)雙連桿柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模,進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,并且與剛性臂運(yùn)動(dòng)相比較,對(duì)柔性機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析。分析結(jié)果表明,這種方法在多柔體系統(tǒng)建模和分析中是精確和高效的。

油漆沉積率模型是自動(dòng)編程工藝參數(shù)選取的重要依據(jù),為了建立符合實(shí)際工況的漆膜模型,采用噴涂機(jī)器人噴涂時(shí)橢圓型霧錐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將貝葉斯歸一化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法分別用于漆膜模型的擬合。經(jīng)過對(duì)比分析,采用2種算法得出模型都具有較高的精度,但遺傳算法收斂速度更快,并可得出油漆沉積率方程的具體表達(dá)式,更適合油漆沉積率建模。

設(shè)計(jì)了1種永磁真空混合附壁的船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人,該機(jī)器人負(fù)載大、本體重,機(jī)器人的附壁面法向存在水射流反沖力和真空負(fù)壓壓力。建立了機(jī)器人下滑和后翻兩靜態(tài)模型,結(jié)合船壁面法向的3種受力狀態(tài),分別對(duì)下滑模型和后翻模型進(jìn)行了分析,并將兩模型永磁單元所需吸附力進(jìn)行了對(duì)比。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,真空負(fù)壓提高機(jī)器人附壁能力明顯,可以較大地降低永磁吸附單元所需吸附力,減小機(jī)器人負(fù)載,較低的真空負(fù)壓可實(shí)現(xiàn)輔助永磁良好附壁,在保證靈活運(yùn)動(dòng)的前提下吸附可靠。

研究潛孔鉆機(jī)優(yōu)化定位和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題,潛孔鉆機(jī)鉆臂是一種復(fù)雜的多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),傳統(tǒng)的方法采用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型求解困難。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性和有效性,提出一種虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),建立仿真系統(tǒng)。首先采用pro/e和adams建立鉆臂虛擬樣機(jī)模型,再結(jié)合實(shí)際工況對(duì)鉆臂四個(gè)典型動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,得到各液壓缸受力變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明仿真模型和仿真結(jié)果合理可靠,為進(jìn)一步進(jìn)行鉆臂設(shè)計(jì)和研究提供了可靠的參考依據(jù)。

采用pro-e建立三維模型,采用電磁有限元分析軟件flux計(jì)算磁脫扣器的電磁力,最后在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件adams中進(jìn)行小型斷路器機(jī)構(gòu)的斷開過程的動(dòng)力學(xué)仿真,并研究了各作用力對(duì)分?jǐn)嗨俣鹊挠绊?。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明仿真是可行、正確的。

動(dòng)力固定是一種全新的浮橋固定方法,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.提出把整個(gè)浮橋系統(tǒng)作為研究對(duì)象,建立了分置式動(dòng)力固定浮橋的動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)浮橋的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析,按照動(dòng)力固定控制系統(tǒng)要求對(duì)模型進(jìn)行簡化.由于浮橋系統(tǒng)的復(fù)雜性,考慮到動(dòng)力舟在實(shí)際使用中容易發(fā)生故障,提出將系統(tǒng)在動(dòng)力舟失效情況下的容錯(cuò)控制問題轉(zhuǎn)換為lmi的可行性問題,設(shè)計(jì)浮橋的魯棒h∞容錯(cuò)控制系統(tǒng),以浮橋模型試驗(yàn)測(cè)得的水阻力等外界干擾力為依據(jù),對(duì)浮橋動(dòng)力固定特性進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真.仿真結(jié)果證明了建模方法的正確性,同時(shí),說明當(dāng)動(dòng)力舟發(fā)生故障時(shí),所設(shè)計(jì)的魯棒h∞容錯(cuò)動(dòng)力固定控制系統(tǒng)能夠有效地保持浮橋的橫向穩(wěn)定性.

根據(jù)電控高壓共軌系統(tǒng)供油泵的工作特點(diǎn),運(yùn)用凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理建立了凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)多自由度模型,并利用simulink建立了該凸輪機(jī)構(gòu)的仿真模型,參照bosch泵凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算了凸輪從動(dòng)件-柱塞的實(shí)際位移與其理論位移的誤差.通過仿真分析,研究各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,為電控高壓泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的理論依據(jù).

利用拉格朗日建模方法推導(dǎo)出基于慣性飛輪平衡原理的獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向通道動(dòng)力學(xué)方程.在該動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了pd和lqr兩種控制器,并分別進(jìn)行了仿真和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)中獨(dú)輪機(jī)器人從側(cè)傾一定角度,在控制的慣性飛輪運(yùn)動(dòng)作用下最終回到豎直平衡位置,完成了獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制目標(biāo).仿真和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明了所建立的動(dòng)力學(xué)方程的正確性和控制器的有效性.

用拉格朗日方法對(duì)創(chuàng)新的3ptt型水平滑塊式三桿并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模,為該機(jī)器人的控制提供了基礎(chǔ)·還利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)該機(jī)器人的可操作性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析,分析結(jié)果證明,該機(jī)器人在工作空間內(nèi)部,其加速特性和動(dòng)態(tài)特性良好,而在工作空間邊緣,加速特性和動(dòng)態(tài)特性變差·滑塊驅(qū)動(dòng)力隨平臺(tái)重量增加而增加,加速時(shí)間應(yīng)適當(dāng),且磨削力對(duì)滑塊驅(qū)動(dòng)力也有影響·該新型并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能良好,具有很好應(yīng)用價(jià)值·

對(duì)具有大范圍運(yùn)動(dòng)特性的柔順關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)器人開展了動(dòng)力學(xué)建模、特性分析、控制策略設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)性能分析等研究?；趥蝿傮w法,研究柔順關(guān)節(jié)特性,建立含大變形柔順關(guān)節(jié)的系統(tǒng)模型,應(yīng)用拉格朗日方法建立了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。為補(bǔ)償柔順關(guān)節(jié)引起的系統(tǒng)振動(dòng)、未建模動(dòng)態(tài)以及慣性參數(shù)攝動(dòng)造成的模型誤差,設(shè)計(jì)趨近律滑模控制策略并證明了其穩(wěn)定性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型和控制策略的有效性。

輪式機(jī)器人是一個(gè)典型的非完整性系統(tǒng)。由于非線性和非完整特性,很難為移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤建立一個(gè)合適的模型。介紹了一種輪式機(jī)器人滑模軌跡跟蹤控制方法?；？刂剖且粋€(gè)魯棒的控制方法,能漸近的按一條所期望的軌跡穩(wěn)定移動(dòng)機(jī)器人。以之為基礎(chǔ),描述了輪式機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型并在二維坐標(biāo)下建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程設(shè)計(jì)滑?？刂破?該控制器使得機(jī)器人的位置誤差收斂到零。

文章在此對(duì)兩輪機(jī)器人的控制進(jìn)行研究,主要目的是針對(duì)pid控制器參數(shù)較為困難的問題進(jìn)行解決。文章在此設(shè)計(jì)了一種新的方法,構(gòu)建神經(jīng)元pid控制器。通過利用該控制器,神經(jīng)元的自適應(yīng)能力與自學(xué)習(xí)能力得到了極大的改善。可以對(duì)控制器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)調(diào)整,進(jìn)而針對(duì)兩輪機(jī)器人構(gòu)建了非線性模型,對(duì)神經(jīng)元pid控制系統(tǒng)進(jìn)行了討論,然后對(duì)其算法進(jìn)行了探討,并分析了該項(xiàng)控制器的參數(shù),進(jìn)而在兩輪機(jī)器人的平衡控制中應(yīng)用文章所設(shè)計(jì)的控制器。最后,將文章設(shè)計(jì)的控制器與傳統(tǒng)的控制器進(jìn)行對(duì)比,通過仿真模擬增強(qiáng)了該控制器的有效性與準(zhǔn)確性,再在兩輪機(jī)器人物理系統(tǒng)中應(yīng)用該控制器,實(shí)際取得的效果非常好。