李论[1]2000年在《柔性机器人与机构动力学仿真的研究》文中指出柔性机器人及机构动力学是机械动力学研究领域的前沿课题。开发研制通用、高效的柔性机械系统动力学仿真软件是一项很有必要而且急需的工作。这对提高分析的效率和精度、避免重复性编程工作具有重要的理论和实践意义。本文在此方面进行了有益的尝试。 本文首次将著名的有限元分析软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS结合起来，进行了二次开发，发展专用的数据传输接口，编制一系列分析功能模块，形成了一种新的弹性动力学分析FLEX体方法。该方法可以实现从参数化建模到实时动力学分析的仿真过程自动化。论文结合实际机构，建立了柔性杆刚性关节、刚性杆柔性关节、柔性杆柔性关节三种常用的仿真模型，并详细阐明了这些模型应用于FLEX体方法的原理，给出了仿真算法的工作流程。论文对平面两杆柔性机器人、平面三杆柔性机器人和弹性四杆机构三个实例进行了数值仿真。分析计算了机械臂末端误差、关节扭矩、弯曲应变等主要的动力学指标。通过与现有文献中的仿真结果进行比对，证明本文提出的新方法分析精度高、适用范围广，具有实用价值。
周胜丰[2]2003年在《柔性机器人动力学建模和仿真》文中认为柔性机器人系统是一个典型的多柔体系统，其动力学问题与一般刚体系统动力学有本质的差别，表现为大位移刚性运动和小位移变形运动之间的强烈耦合，其动力学问题是当今世界学术界公认的热门难题，被称为新世纪给力学提出的挑战性课题。而高效的动力学仿真软件工具对理论研究和工程设计都十分重要。本文根据多柔体系统动力学理论，提出创新的考虑柔性铰机器人动力学建模方法和新颖的全柔机器人(铰与杆件全柔)动力学建模方法。通过数值模拟算例研究柔性对机器人动力学响应的影响，从而使得机器人动力学和控制理论更加完善。 本文工作主要体现在以下几方面： 1．推导出柔性铰机器人和全柔机器人的动力学方程 2．对动力学方程进行有效的求解 3．编制动力学数值仿真软件 4．对算例进行计算以及分析其动力学特性
刘玉飞[3]2016年在《直角坐标柔性机器人操作臂机电耦合动力学及振动特性研究》文中认为直角坐标机器人是工业机器人领域的重要组成,在机械加工、精密装配、上下料、喷涂等工艺中具有重要的应用。机器人操作臂是执行操作任务的关键部件,其结构性能和动态特性对直角坐标机器人的操作精度具有重要影响。传统的机器人操作臂采用刚性结构,整体结构较为笨重,增加了系统的体积质量和能耗。柔性操作臂具有轻质、灵活、能耗低等特点,能够有效降低机器人操作臂的体积质量,符合机器人轻型、高速、集成化的发展要求。然而,由于结构刚度低、阻尼小,柔性操作臂在执行任务、尤其是高速操作的过程中极易产生弹性变形和残余振动,严重影响其末端执行器的操作精度和效率,甚至导致操作失败或经济损失。为此,深入研究柔性操作臂的动力学及振动特性,既是柔性操作臂振动控制的基础,也是有效解决机器人由刚性向柔性发展的关键。作为典型的复杂机电系统,机器人伺服驱动与执行机构之间存在复杂的机电耦合关系,通过传动系统的作用而产生系统激励;对于高速轻型结构而言,机电耦合因素产生的系统激励将更为凸显。由于柔性操作臂模态较低,系统激励对其动态特性的影响将更显著,而机械结合部和柔性因素的存在进一步增强了系统耦合因素的影响。因此,研究柔性操作臂的振动特性,应充分考虑系统耦合因素的影响。本文在国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、江苏省科技支撑计划项目和江苏省普通高校研究生科研创新计划项目的资助下,结合直角坐标机器人的结构和运动特征,基于理论建模、数值仿真分析、虚拟样机实验和实验系统测试手段,对柔性操作臂机电耦合动力学及振动特性开展研究。研究工作主要包括:(1)建立了直角坐标柔性机器人的动力学模型,完成了实验系统构建。基于Hamilton变分原理推导了柔性操作臂平移、伸缩和斜向运动特征下的动力学方程,分析了不同运动特征下柔性操作臂的振动特性;探讨了柔性操作臂匀速运动振动响应的初始条件,通过分析加速阶段柔性操作臂的振动响应,确定了匀速运行阶段振动响应的初始条件,基于此对柔性操作臂匀速运行的振动特性进行分析,并与虚拟样机实验结果进行对比验证;采用直角坐标机器人本体结构、环氧树脂材料柔性操作臂和螺栓连接结合部,搭建了直角坐标柔性机器人实验系统,介绍了实验系统的结构组成及其模拟柔性机器人系统耦合因素的可行性,对各运动特征下柔性操作臂的振动响应特性进行了实验测试分析。(2)研究了柔性操作臂结合部弹性约束模型及动态特性,探讨了结合部弹性约束的作用机理。考虑线约束和扭转约束作用,建立了螺栓结合部的弹性约束模型,根据虚功原理确定了柔性操作臂的边界约束条件,推导了其频率方程和振型函数,分析了柔性操作臂的频率和振型特性,揭示了结合部弹性约束对柔性操作臂模态特性的影响;采用灵敏度方法分析了线约束和扭转约束对频率的影响程度,给出了结合部的弹性约束区域,基于此对频率曲线进行拟合,表征了结合部约束刚度与频率之间的关系,分析了结合部弹性约束对柔性操作臂振动特性的影响;通过模态测试实验验证了弹性约束模型的有效性,为研究结合部弹性约束下柔性操作臂的机电耦合动态特性提供了理论模型。(3)开展了柔性操作臂机电耦合动力学建模及联合仿真虚拟实验。考虑系统存在的耦合关系,将驱动系统、传动系统和负载执行机构作为整体,建立了包含电磁系统与机械系统的系统全局耦合关系和物理模型,采用机电分析动力学方法,推导了系统的机电耦合动力学方程;采用Matlab/Simulink建立了系统的动力学仿真模型,对电机的输出转速和移动基座的运动特性进行分析,揭示了机电耦合作用下系统的运动波动规律;基于系统动力学仿真模型与虚拟样机模型,采用Matlab/Simulink和Adams/controls建立联合仿真模型,对机电耦合作用下柔性操作臂的振动特性进行联合仿真虚拟实验,为研究柔性操作臂的参数振动特性奠定了基础。(4)分析了机电耦合作用下柔性操作臂的参数振动特性和稳定性。表征了移动基座的运动特性方程,基于此推导了运动波动下柔性操作臂的参数振动方程,分析了柔性操作臂的参数振动特性,验证了运动波动的影响;根据柔性操作臂参数振动的稳态功率流特性,直观展现了柔性操作臂的振动能量分布,分析了结合部弹性约束对参数振动及稳态功率流的影响;采用直接多尺度方法推导确定了柔性操作臂参数振动的稳定性边界,讨论了结合部弹性约束和末端执行器负载对系统失稳区域的影响,通过实验测试分析了柔性操作臂的参数振动特性,验证了理论模型及分析结果的正确性。本文所取得的研究成果对深入开展多耦合状态下柔性操作臂的动力学和振动特性具有重要的指导意义,为柔性操作臂的机电耦合振动控制奠定了理论基础,对柔性机器人的集成设计具有重要的实际应用价值。
李宝玉[4]2008年在《柔性机器人碰撞动力学的连续法建模及其分析》文中指出柔性机器人接触碰撞动力学本质上是一种非定常、变拓扑、非线性的动力学过程,建立合理的接触-碰撞模型是解决柔性机器人碰撞动力学问题的关键。本文在当前国内外学者研究的基础上,对柔性机器人系统的碰撞动力学进行了进一步探索。在此所研究的系统是由n根柔性杆,通过转动铰连接起来的链式机器人系统。柔性机器人的运动以4×4阶齐次变换矩阵为基础建立相对坐标系来表述,运用假设模态法处理杆件变形。为了研究接触碰撞过程中系统的动力学行为,采用Hertz接触理论和非线性阻尼理论建立接触-碰撞模型,通过引入冲量势的概念,推导出n杆柔性机器人含碰撞的拉格朗日动力学方程。推导得到的动力学方程中的速度是连续的,方程可直接进行求解。再编制仿真程序,使用的数值算法保证了计算结果的合理性。通过数个典型算例仿真分析了模态对柔性机器人动力学特性的影响和碰撞过程中柔性机器人系统的动力学响应,验证了本文所提出理论与算法的有效性。本文所做的工作对机器人动力学和机器人控制有一定的参考价值。
梁浩[5]2002年在《柔性机器人动力学仿真系统研究与开发》文中研究说明柔性机器人动力学是机械动力学研究领域的前沿课题，其中动力学分析是关键问题，高效的动力学仿真软件工具是重要手段，对理论研究和工程设计都十分重要。现在动力学仿真程序主要是自己编写，这样既耗时，程序的通用性和移植性也较差，不利于科研的发展。充分利用通用软件不失为一种好的解决方案，目前较先进的方法是结合多体动力学和有限元分析软件进行柔性机器人仿真。国际著名的软件ADAMS、ANSYS分别适用于多体动力学仿真和有限元软件分析，但用于柔性机器人动力学仿真还很不成熟。 本文根据软件工程的原理，详细分析了专业需求，进行了功能描述和软件系统设计，将ADAMS和ANSYS有机结合，开发了柔性机器人动力学软件仿真系统。首先，本软件系统实现了流程的自动化，对用户屏蔽了数据接口，专用数据接口文件在ANSYS中ADAMS可以自动传输。其次，本软件系统实现了统一的界面，将所有的功能集中到一个界面。再次，本软件系统实现了模态中性文件自动生成和建模的自动化，用户只需输入和专业相关的参数即可轻松完成仿真。最后，本软件系统简化了系统配置，实现参数配置的自动化。文中通过一个两臂机器人的实例详细介绍了软件的使用。然后，通过两平面三臂机器人协调操作刚性负载的实例说明了本软件系统的正确性和有效性。本软件仿真系统运算稳定、适应范围广，能极大地提高了机器人研究的工作效率。
华卫江[6]2005年在《柔性机器人碰撞动力学建模及其仿真》文中研究表明随着新一代机器人正向着高速化、精密化和轻型化和大跨度的方向发展,机器人的协调操作等问题日益显现。目前,柔性机器人系统碰撞动力学越来越受到重视,已经成为机器人学和多柔体系统动力学研究的热点之一。本文在当前国内外学者研究的基础上,对柔性机器人系统的碰撞动力学进行了进一步探索。其中,柔性机器人的运动学以4×4阶齐次变换矩阵为基础建立在相对坐标系中。运用模态假设法处理杆件柔性变形,通过引入冲量势的概念,推导出了由n杆组成的柔性机器人系统受外冲击的Lagrange动力学方程。机器人工作时与之发生碰撞的操作对象可能是运动或静止的物体、环境、甚至是与之协调操作的机器人。本文考虑碰撞最复杂的情况,将碰撞的对象视为另一机器人,在机器人受外冲击动力学方程的基础上结合系统的碰撞恢复系数方程,分别推导得到了单臂柔性双机器人系统相互碰撞时的动力学方程和多臂柔性双机器人系统相互碰撞时的动力学方程。所得方程中广义冲量与广义速度突变之间是解耦的,适于计算机程式化计算。并通过算例分析了柔性对机器人碰撞的影响和柔性机器人系统碰撞后的动力学响应。本文所做的工作对机器人动力学和机器人控制有一定的参考价值。
姜园[7]2017年在《柔性并联机器人的动力学性能研究》文中研究指明随着航天科学技术的不断发展,人类对机构的精度和稳定性的要求越来越高,于是人们迫切寻找一种机构在高速,轻质运动的条件下的运动学和动力学的分析方法。构件在高速,轻质,重载的条件下运动,一定会发生变形,也就是要将容易变形的构件作为柔性构件来分析。并联机器人一直是机器人领域中的前沿课题之一,并联机器人具有惯性小,累积误差小,刚度大,运动精度大,稳定,运动学反解容易获得等优点。弥补了串联机器人在高速,轻质,高精度领域的空白。因此同时具有柔性机构和并联机构两方面的特点的柔性并联机器人成为机器人领域的一个非常重要的研究方向。进行这方面的研究具有重要的意义。本文在研究前人研究的基础上,以三自由度空间并联机构为分析对象,对3-RRRT并联机器人机构进行运动学和动力学建模。然后进行虚拟样机仿真,对机构的受力特性,动态特性做了更加全面的分析。首先对3-RRRT并联机器人运用D-H坐标法在其上关节处建立了坐标系,得出了机构位置反解,驱动角位移随时间的变化,角速度随时间的变化,角加速度随时间的变化曲线。其次运用牛顿欧拉递推法给出了其递推的力分析过程。并且建立了力和力矩的平衡方程。运用MATLAB进行数值求解,最终求得其逆动力学解,得出驱动杆件所需的驱动力矩随时间的关系。然后运用SOLIDWORKS建立其三维模型,共分为三部分,动平台,静平台,和三条支链(每条支链三个杆)。然后导入到ADAMS中进行关节约束的建立,对其进行刚体逆运动学和正向动力学仿真,得出驱动力矩曲线和杆件受力曲线。最后在ANSYS经典界面中对每条支链的第三个杆进行了网格的划分,将其变为柔性。首先设置材料弹性模量,泊松比,密度等参数,输出为MNF格式文件,然后导入到ADAMS中替换掉刚体。然后进行刚柔耦合仿真(动平台和静平台属于刚体,每条支链的第一个杆和第二个杆是刚体,第三个杆是柔体)得出了在刚柔混合的情况下的末端轨迹,然后与刚体的状态下作比较。得出其运动轨迹的特性,以及柔性杆件所受应力的变化曲线。
范叶森[8]2007年在《柔性铰链及其在自展开径向肋天线中应用研究》文中进行了进一步梳理随着空间技术的发展，研究大口径、质量轻、可靠性高的空间大型可展开天线已成为航天科技的重要研究领域，而大型可展开天线的结构创新设计与天线动力学等基础问题的研究是其重要的内容。本文针对目前电机驱动可展开天线存在可靠性低的缺点，提出了一种柔性铰链式自展开径向肋天线，并解决了天线结构设计中的几个关键问题，对天线的结构进行了模态分析，对天线支撑臂的展开过程进行了多柔体动力学仿真，得到了一些很有参考价值的结论。 本文的主要工作及创新点如下： 1．详细研究了集中式柔性铰链，根据伪刚体模型的基本原理，建立了集中式柔性机构的等效动力学分析方法；在集中式柔性铰链的基础上，创造性地提出了恒刚度柔性铰链和恒扭矩柔性铰链，并给出了恒刚度柔铰链的转动刚度和恒扭矩柔性铰链扭矩的解析表达式；为了能较好地应用在天线结构设计中，分别针对恒刚度柔性铰链和恒扭矩柔性铰链设计了可行的锁止机构。 2．创新性地提出了一种柔性铰链式自展开径向肋天线结构；为了减小天线在展开过程和锁止后对星体的冲击，在天线结构中设计了粘滞流体阻尼器，并在经典流体力学理论的基础上研究了间隙式阻尼器和阻尼孔阻尼器的阻尼特性；最后在一定假设的基础上，推导了天线在柔性铰链和阻尼器的共同作用下的展开时间解析表达式。 3．利用有限元仿真技术建立了天线模态分析的有限元模型，详细分析了影响天线固有特性的多种因素，为进一步分析天线结构动力学问题和天线结构的尺寸定型，提供了有力地参考依据。 4．利用多柔体动力学仿真技术，研究了在恒扭矩柔性铰链驱动下，影响天线支撑臂展开时间和展开过程中及锁止瞬间对星体冲击力的多种因素，为进一步研究支撑臂在展开与锁止过程中的减振技术提供了有力地参考依据。 本文所研究的内容属于对大型卫星可展开天线结构的创新设计，不仅具有较强的理论意义，更具有较高的实用价值。
张学强[9]2014年在《柴油机配气机构动力学研究》文中进行了进一步梳理配气机构是柴油机重要的运动机构，其性能直接影响柴油机的动力性、经济性和耐久性。所以，对配气机构的动力学性能的分析是当前柴油机研究的重要方向之一。随着人们对柴油机的性能的要求不断提高，针对柴油机配气机构的动力学分析具有重要意义。以柴油机的下置凸轮轴式配气机构为研究对象，对配气机构进行了动力学仿真分析，为了从多个角度分析该配气机构的动力学性能，首先建立了传统的配气机构单质量模型和多质量模型，进行了对比分析。其次，以多体系统动力学理论为基础，分别建立了配气机构多刚体动力学模型、单个构件为柔性体的动力学模型和多柔体动力学模型。对这三种模型进行了动力学仿真分析，得到了配气机构的动力学特性曲线，发现这三种模型得到的气门位移、速度几乎一样，而配气机构其他的动力学特性都有一定的差异。对将来配气机构优化设计提供了理论基础。最后，研究了改变凸轮轴的转速、气门弹簧刚度的大小、是否施加气体爆发压力对配气机构动力学特性的影响。我们发现从不同凸轮轴转速下配气机构的仿真结果曲线，得到了在某些情况下产生气门飞脱和构件反跳等现象；改变气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力影响比较大，但是对气门落座速度几乎没有影响。考虑配气机构施加气体爆发压力的情况下，各构件动力学性能变化不是太大。但是影响气门的受力情况。本文研究结果对实际工程具有广阔的应用前景和较大的实用价值，为配气机构后续进行系统优化以及配气机构的自主开发提供了可靠的依据。
赵静[10]2013年在《一类可控欠驱动机器人的动力学特性研究》文中进行了进一步梳理欠驱动机器人具有灵活性高、能耗低等优点,近年来已成为机器人研究领域的热点问题。但是目前对欠驱动机器人的研究主要是针对几种现有的典型的欠驱动机器人系统。随着科学研究的深入,设计和研究新型的欠驱动机构以满足实际应用的需求显得尤为重要。而对于较复杂结构的欠驱动机器人要实现高质量的控制,必须要基于被控对象的动态特性。机器人处于不同位形时,加于各关节的驱动力是时变的,并且可以由系统的动力学方程给以确定。因此,如何准确地建立机器人的动力学模型,从而实现对系统的精确控制,一直是机器人动力学研究者追求的目标。本论文以一种新型基于非完整约束的可控欠驱动机械臂为研究对象,将非完整力学与欠驱动机器人理论相结合,研究其动力学特性。依据欠驱动机器人系统动力学的相关原理,利用拉格朗日-达朗贝尔方程建立了摩擦圆盘运动传递机构的动力学模型。然后,通过在Matlab软件中编程对该模型进行仿真,通过改变机构的结构参数获得较好的力矩特性。结合非完整力学,应用广义坐标下的查浦雷金方程,建立了欠驱动机械臂的动力学模型。揭示了两驱动电机力矩与机械臂运动的关系。最后,利用Simulink仿真平台对该模型进行仿真,得出机械臂按预定路径运动时两个驱动电机需输入的力矩。通过仿真发现两个电机的转矩曲线和机械臂各关节的运动曲线都较为平缓,具有较好的动力学特性,可实现平稳运动。为验证所建立的动力学模型的正确性,对欠驱动机械臂的运动进行了实验研究。在实验过程中,用仿真得到的两个电机的驱动力矩控制电机转动,并采集机械臂的关节运动角位移,与给定的运动路径相对比。最后,对实验结果及产生误差的原因进行了分析。验证了动力学模型的正确性,同时也说明了机械臂确实是可控的。综上所述,本论文将理论推导和实验验证相结合,研究了一类具有一阶非完整约束的欠驱动机械臂的动力学特性,对非完整力学与欠驱动机器人两个领域相结合进行了探索。该课题研究将有效地拓宽欠驱动机器人的研究领域。
参考文献：
[1]. 柔性机器人与机构动力学仿真的研究[D]. 李论. 北京工业大学. 2000
[2]. 柔性机器人动力学建模和仿真[D]. 周胜丰. 南京理工大学. 2003
[3]. 直角坐标柔性机器人操作臂机电耦合动力学及振动特性研究[D]. 刘玉飞. 中国矿业大学. 2016
[4]. 柔性机器人碰撞动力学的连续法建模及其分析[D]. 李宝玉. 南京理工大学. 2008
[5]. 柔性机器人动力学仿真系统研究与开发[D]. 梁浩. 北京工业大学. 2002
[6]. 柔性机器人碰撞动力学建模及其仿真[D]. 华卫江. 南京理工大学. 2005
[7]. 柔性并联机器人的动力学性能研究[D]. 姜园. 天津理工大学. 2017
[8]. 柔性铰链及其在自展开径向肋天线中应用研究[D]. 范叶森. 西北工业大学. 2007
[9]. 柴油机配气机构动力学研究[D]. 张学强. 石家庄铁道大学. 2014
[10]. 一类可控欠驱动机器人的动力学特性研究[D]. 赵静. 武汉理工大学. 2013
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