小擺角兩輪機器人動力學建模及控制器設計

柔索并聯(lián)機器人采用柔索代替連桿作為機器人的驅(qū)動元件,它結(jié)合了并聯(lián)結(jié)構(gòu)和柔索驅(qū)動的優(yōu)點。500m口徑大射電望遠鏡(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動,其工作特點類似并聯(lián)機器人,因此也被看作柔索并聯(lián)機器人。基于fast5m縮比實驗模型,首先進行了逆運動學分析;其次,采用拉格朗日方程建立了柔索并聯(lián)機器人的逆動力學模型;最后,針對結(jié)構(gòu)特點模擬作用在饋源艙上的隨機風荷,設計了用模糊控制器自動調(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振響應。數(shù)值結(jié)果驗證了該主動控制策略能夠有效衰減風荷振動,從而提高了饋源軌跡跟蹤精度。

設計一種履帶式永磁真空混合吸附的船舶壁面除銹爬壁機器人,該機器人具有負載大、本體重特點,且機器人負載質(zhì)量以及重心位置隨爬壁高度變化。根據(jù)機器人爬壁運動原理,建立機器人沿船舶壁面上爬和轉(zhuǎn)彎的動力學模型,運用模糊優(yōu)化理論對模型進行優(yōu)化和仿真分析,規(guī)劃機器人的安全工作范圍,分析機器人在典型爬壁高度下的驅(qū)動上爬能力,討論在理論轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩下的機器人上爬的高度與角度關(guān)系,研制試驗樣機進行爬壁轉(zhuǎn)彎試驗、定負載上爬試驗和變負載上爬試驗。仿真和試驗結(jié)果表明,機器人動力學優(yōu)化模型可靠,運動性能受永磁吸附力、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)劃的機器人安全工作范圍合理。

介紹了4種支承輪式管道機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構(gòu)具有更高的驅(qū)動效率。在此基礎上,基于虛功原理分析了絲杠螺母—支承桿變徑機構(gòu)的驅(qū)動特性,并應用多體動力學仿真軟件adams對其進行了動力學仿真驗證,結(jié)果顯示絲杠螺母—支承桿變徑機構(gòu)具有更高的驅(qū)動效率和更強的管徑適應能力,并給出了其驅(qū)動電動機隨管徑變化的一般動力學特性,為支承輪式管道機器人推廣應用奠定了基礎。

中國科學技術(shù)大學 碩士學位論文 基于假想柔順控制的膝關(guān)節(jié)助力機器人動力學分析及其運動控 制 姓名：謝興旺 申請學位級別：碩士 專業(yè)：檢測技術(shù)與自動化裝置 指導教師：余永研 2011-05 摘要 摘要 近年來隨著全球范圍內(nèi)人口老年化趨勢日益加劇，可穿戴型助力機器人已 經(jīng)成為重點的研究領域之一，膝關(guān)節(jié)助力機器人作為可穿戴型助力機器人的重要 組成部分，科學家對其技術(shù)的開發(fā)和研究已經(jīng)取得巨大的進步。膝關(guān)節(jié)助力機器 人將環(huán)境感知和多傳感器信息融合和運動控制等多種功能集于一身，是典型的人 機一體化系統(tǒng)。當人穿上膝關(guān)節(jié)助力機器人時，機器人在人的智力指導下為人的 行走提供助力從而擴展了人的運動能力和活動范圍。 在國家自然科學基金“可穿戴型智能助力機器人技術(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，實現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)助力機器人為人提供助 力的目的。具體內(nèi)容包括： 1．通過分析

應用牛頓-歐拉方法推導了6自由度機器人的動力學方程,在matlab中進行了編程求解。并應用adams軟件建立虛擬樣機模型進行動力學仿真,用仿真的結(jié)果驗證了編程計算的正確性。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器人各關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動力矩,為機器人電機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,建立了草方格鋪設機器人動力學模型,同時探討了二者聯(lián)合建模仿真的一般步驟。模型添加必要的邊界條件后,對縱向壓輪和橫向插刀正常動作時的草方格鋪設機器人振動狀態(tài)進行了仿真。通過仿真,得到了牽引車、縱向鋪設機構(gòu)、橫向鋪設機構(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)波動的原因,為進一步的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)。通過試驗,得到實際狀態(tài)下的試驗曲線,并與仿真曲線進行對照,證實了草方格鋪設機器人仿真模型和仿真結(jié)果的合理性和可靠性。

傳動機構(gòu)是仿人按摩機器人手臂的關(guān)鍵部分,結(jié)合仿人按摩機器人手臂的特點采用直齒圓錐齒輪傳動方式,設計了仿人按摩機器人手臂的傳動機構(gòu)。運用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體造型并實現(xiàn)了模型的參數(shù)化。利用adams軟件對建立的直齒圓錐齒輪模型進行運動學仿真分析,為齒輪的設計改進以及間隙調(diào)整提供了參考依據(jù)。實踐證明,solidworks與admas相結(jié)合的方法提高了齒輪的設計效率和傳動精度。

進入鍋爐的給水中如果含有氧氣,將會使給水管道、鍋爐設備及汽輪機通流部分遭受腐蝕,縮短設備的壽命。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,對于除氧器動態(tài)數(shù)學模型已有比較成熟的研究。由于現(xiàn)場工況復雜,除氧器全工況數(shù)學模型也比較復雜,不易理解。也有基于simulink搭建的仿真模型,但內(nèi)部機理不夠直觀。系統(tǒng)動力學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,這也是將其應用于電廠建模與仿真上的優(yōu)勢。

降壓型、升壓型和升壓-降壓型dc-dc變換器是應用廣泛的基本開關(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.該模型進行無量綱歸一化處理后只有三個參數(shù),可有效展示開關(guān)dc-dc變換器在電感電流連續(xù)傳導模式(ccm)和電感電流不連續(xù)傳導模式(dcm)時的動力學特性.利用此模型,導出了軌道狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時的兩個分界線方程,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弱混沌強陣發(fā)域三個工作狀態(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變換器的電路實驗觀察驗證了由兩條分界線劃分工作狀態(tài)域的正確性.

針對重型自卸汽車的開發(fā),應用多體動力學分析軟件adams建立了自卸汽車數(shù)字化模型,進行了隨機路面下的平順性仿真試驗,綜合評價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)動力學仿真分析軟件msc.adams與有限元分析軟件msc.nastran完成對雙連桿柔性機械臂動力學建模,進行了運動學仿真分析,并且與剛性臂運動相比較,對柔性機械臂末端運動振動信號進行了頻譜分析。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編程工藝參數(shù)選取的重要依據(jù),為了建立符合實際工況的漆膜模型,采用噴涂機器人噴涂時橢圓型霧錐的實驗數(shù)據(jù),將貝葉斯歸一化神經(jīng)網(wǎng)絡法和遺傳算法分別用于漆膜模型的擬合。經(jīng)過對比分析,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式,更適合油漆沉積率建模。

設計了1種永磁真空混合附壁的船舶壁面除銹爬壁機器人,該機器人負載大、本體重,機器人的附壁面法向存在水射流反沖力和真空負壓壓力。建立了機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),分別對下滑模型和后翻模型進行了分析,并將兩模型永磁單元所需吸附力進行了對比。仿真和實驗結(jié)果表明,真空負壓提高機器人附壁能力明顯,可以較大地降低永磁吸附單元所需吸附力,減小機器人負載,較低的真空負壓可實現(xiàn)輔助永磁良好附壁,在保證靈活運動的前提下吸附可靠。

研究潛孔鉆機優(yōu)化定位和結(jié)構(gòu)設計問題,潛孔鉆機鉆臂是一種復雜的多關(guān)節(jié)機構(gòu)的特點,傳統(tǒng)的方法采用機器人動力學模型求解困難。為了提高設計的可靠性和有效性,提出一種虛擬樣機技術(shù)進行設計,建立仿真系統(tǒng)。首先采用pro/e和adams建立鉆臂虛擬樣機模型,再結(jié)合實際工況對鉆臂四個典型動作進行動力學仿真,得到各液壓缸受力變化曲線。實驗結(jié)果進行了對比。實驗表明仿真模型和仿真結(jié)果合理可靠,為進一步進行鉆臂設計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計算磁脫扣器的電磁力,最后在多體動力學仿真軟件adams中進行小型斷路器機構(gòu)的斷開過程的動力學仿真,并研究了各作用力對分斷速度的影響。通過實驗驗證,證明仿真是可行、正確的。

動力固定是一種全新的浮橋固定方法,具有重要的實際應用價值.提出把整個浮橋系統(tǒng)作為研究對象,建立了分置式動力固定浮橋的動力學模型,對浮橋的運動進行了分析,按照動力固定控制系統(tǒng)要求對模型進行簡化.由于浮橋系統(tǒng)的復雜性,考慮到動力舟在實際使用中容易發(fā)生故障,提出將系統(tǒng)在動力舟失效情況下的容錯控制問題轉(zhuǎn)換為lmi的可行性問題,設計浮橋的魯棒h∞容錯控制系統(tǒng),以浮橋模型試驗測得的水阻力等外界干擾力為依據(jù),對浮橋動力固定特性進行數(shù)學仿真.仿真結(jié)果證明了建模方法的正確性,同時,說明當動力舟發(fā)生故障時,所設計的魯棒h∞容錯動力固定控制系統(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,運用凸輪機構(gòu)動力學原理建立了凸輪機構(gòu)動力學多自由度模型,并利用simulink建立了該凸輪機構(gòu)的仿真模型,參照bosch泵凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),計算了凸輪從動件-柱塞的實際位移與其理論位移的誤差.通過仿真分析,研究各設計參數(shù)對凸輪運動規(guī)律的影響,為電控高壓泵的優(yōu)化設計提供了良好的理論依據(jù).

對具有大范圍運動特性的柔順關(guān)節(jié)并聯(lián)機器人開展了動力學建模、特性分析、控制策略設計及動態(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,應用拉格朗日方法建立了系統(tǒng)動力學方程。為補償柔順關(guān)節(jié)引起的系統(tǒng)振動、未建模動態(tài)以及慣性參數(shù)攝動造成的模型誤差,設計趨近律滑?？刂撇呗圆⒆C明了其穩(wěn)定性。仿真結(jié)果驗證了動力學模型和控制策略的有效性。

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

文章在此對兩輪機器人的控制進行研究,主要目的是針對pid控制器參數(shù)較為困難的問題進行解決。文章在此設計了一種新的方法,構(gòu)建神經(jīng)元pid控制器。通過利用該控制器,神經(jīng)元的自適應能力與自學習能力得到了極大的改善?？梢詫刂破鞯母黜梾?shù)進行在線的實時調(diào)整,進而針對兩輪機器人構(gòu)建了非線性模型,對神經(jīng)元pid控制系統(tǒng)進行了討論,然后對其算法進行了探討,并分析了該項控制器的參數(shù),進而在兩輪機器人的平衡控制中應用文章所設計的控制器。最后,將文章設計的控制器與傳統(tǒng)的控制器進行對比,通過仿真模擬增強了該控制器的有效性與準確性,再在兩輪機器人物理系統(tǒng)中應用該控制器,實際取得的效果非常好。

舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機,是一種補助馬達間接變速裝置。在本設計中,我們采用單片機來驅(qū)動舵機工作,單片機通過改變輸出的pwm信號占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速;舵機能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自動旋轉(zhuǎn)等功能;為了更直觀地顯示轉(zhuǎn)角,我們采用了四位八段數(shù)據(jù)管用于實時顯示。

利用拉格朗日建模方法推導出基于慣性飛輪平衡原理的獨輪機器人側(cè)向通道動力學方程.在該動力學方程基礎上分別設計了pd和lqr兩種控制器,并分別進行了仿真和物理實驗驗證.實驗中獨輪機器人從側(cè)傾一定角度,在控制的慣性飛輪運動作用下最終回到豎直平衡位置,完成了獨輪機器人側(cè)平衡控制目標.仿真和物理實驗結(jié)果均證明了所建立的動力學方程的正確性和控制器的有效性.