可变结构空间桁架机械臂的动力学建模

可变结构空间桁架机械臂由于具有高承载比和工作空间大等优点,有可能成为下一代空间机械臂的替代形式．本文对可变结构空间桁架机械臂的动力学问题进行建模研究,首先简要介绍了桁架机械臂系统的结构形式,然后采用笛卡尔坐标和变分原理建立系统的动力学模型,其中杆件的转动采用卡尔丹角进行描述,最后通过与ADAMS软件的计算结果对比验证本文所建模型的正确性．     

基于非递推公式的机械臂正动力学的并行计算策略

利用Ｊｏｕｒｄａｉｎ原理来消除约束反力，并通过引入Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子释放约束，得到了机械臂正动力学非递推形式的计算模型．由于在这种模型中引进了一些冗余计算，因此减弱了方程中各计算量之间的依赖性，从而提高了模型的内在并行性．为了尽量减少并行计算所需处理器的数目，本文采用了求解规模缩减技术，并基于这个模型提出了一种面向Ｏ（ｎ）个处理器的机械臂正动力学的并行计算策略．最后以ＰＵＭＡ５６０机器人的前三个臂为例进行了计算效率分析     

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

柔性机械臂动力学建模和控制研究

综述了柔性机械臂动力学建模和动力学控制等相关问题,介绍了柔性机械臂动力学建模中的旋转代数法、基于Lagrange方程的方法及基于模型辩识的方法;介绍了柔性机械臂动力学控制中的PD控制、反馈控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制、非线性控制和智能控 制,最后详细介绍了柔性机械臂动力学控制中的混合控制及智能结构;指出在柔性机械臂动力学建模和动力学控制应解决的问题。这对包括柔性机械臂在内的多柔体系统动力学建模与控制问题的研究有一定的促进作用。      

空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学模拟及镇定运动的鲁棒控制

讨论了漂浮基空间机械臂捕获未知运动目标卫星的接触碰撞动力学建模和接触碰撞后系统镇定运动的控制问题。利用第二类拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了接触碰撞前漂浮基空间机械臂和目标卫星两分体系统的动力学模型;以此为基础借助于空间机械臂与目标卫星接触点间的运动几何关系、力传递关系,计算了接触碰撞所产生的影响效应;捕获卫星后,联立空间机械臂与卫星接触碰撞前的动力学模型,建立了接触碰撞后两系统组合体动力学模型;并设计了增广鲁棒控制算法,以对受碰撞冲击后处于不稳定的组合体系统进行镇定运动控制。上述控制方法能应用于空间机械臂载体位置不受控情况,并能使组合体系统控制方程关于卫星不确定参数呈线性化关系。最后,利用数值仿真模拟捕获过程系统运动状态,验证了上述鲁棒控制镇定运动的效果。     

多尺度法在时滞弹性关节机械臂非线性振动问题中的应用

针对非线性弹性关节机械臂,研究传动过程中的时滞效应对机械臂系统周期振动的影响．本文改进了具有弹性关节的非线性机械臂动力学模型,引入时滞参数,应用多尺度法,得到系统的近似解析解,考察了时滞对机械臂系统周期运动的影响规律．数值软件计算结果表明解析解与数值解具有较好的吻合度．从而验证了本文多尺度方法的有效性和正确性．     

考虑冲击影响的空间机械臂捕获目标后实时观测滑模补偿镇定控制

分析漂浮基空间机械臂捕获目标受到的碰撞冲击影响效应及碰撞后的镇定控制.首先,建立空间机械臂多体系统的动力学模型.机械臂捕获目标过程所受的碰撞冲击将会引起不稳定运动,利用动量定理评估计算碰撞冲量对其运动状态的影响效应.而后,设计实时观测滑模补偿控制对受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统进行镇定控制.最后,通过对空间机械臂捕获目标的碰撞冲击及镇定控制过程仿真,验证了控制算法的有效性.     

基于自然坐标的自由浮动空间机械臂动力学分析

利用一种新方法研究自由浮动空间机械臂动力[学问题,这种方法基于一种称为“自然坐标”的新坐标体系,导出用自然坐标表示的无力矩状态下空间机械臂初积分形式动力学方程,根据臂端设计轨迹,对空间机械臂进行逆动力学仿真计算,结果表明该方法是一种简便,高效的可行方法。     

柔性机械臂两点边值逆动力学方法——理论分析和实验结果

基于最优控制模拟思想提出了柔性机械臂的两点边值逆动力学方法．应用柔性机械臂的两种动力学模型可实现机械臂的点 点位置运动或轨迹追踪，同时显著降低或消除了结构柔性对其精确定位的影响．数值仿真和实验结果同理论分析完全一致     

单杆柔性机械臂的控制仿真研究

本文应用模态控制理论，对柔性机械臂的主动控制问题中的动力学模型进行了研究。在小变形假设的前提下，考虑由于横向变形而引起的轴向位称位的影响，采用拉格朗日方程建立了计及动力刚化项的动力学模型，并将ＰＤ控制理论和方法应用于刻模型。最后，对一单杆柔性机械臂的振动控制进行了计算机仿真．     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。     

基于DRBF-EKF算法的车辆质心侧偏角与路面附着系数动态联合估计

车辆质心侧偏角和路面附着系数是实现车辆底盘智能化所需要的关键参数. 车辆质心侧偏角对于提高车辆安全性和操控性至关重要, 轮胎-路面附着系数决定轮胎力的峰值, 进而确定汽车的动力学稳定性边界. 本文针对四轮独立驱动电动汽车提出了一种基于惯性测量单元、轮毂电机内置转速/转角传感器的车辆质心侧偏角和路面附着系数动态联合估计方法. 对四轮独立驱动电动汽车进行车辆动力学分析, 结合Dugoff轮胎计算模型得到车辆质心侧偏角估计器; 利用机器学习中高维数据降维PCA多元分析方法, 提取主元特征参数, 建立路面附着系数估计器. 采用可自适应调节网络结构的双径向基神经网络和扩展卡尔曼滤波DRBF-EKF方法, 通过K-means算法改进RBF神经网络结构, 扩展卡尔曼滤波进行噪声滤波提高估计精度, 实现车辆质心侧偏角和路面附着系数的动态联合估计. 通过仿真和实车实验表明, 所设计的DRBF-EKF动态联合估计器实时性和估计精度均优于扩展卡尔曼滤波算法, 可以适应车辆行驶过程中路面附着特性与车速的变化, 表现出较强的鲁棒性; 与DRBF方法相比, 显著提高了估计精度; 并且分析了可以同时满足估计精度和实时性要求的最佳隐含层神经元个数.      

考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势, 在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景. 随着折纸结构的工程应用越来越广泛, 针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要. 本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构, 建立了一种通用的杆–链动力学模型. 考虑材料的几何非线性, 采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕, 可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构. 引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用, 相较于传统的卷簧本构模型, 本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性, 能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透. 基于虚功原理, 建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程, 并采用变步长的广义-α 法求解. 最后, 对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真, 验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性. 通过施加虚拟折痕和修正初始构型, 有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题. 与刚性折纸模型相比, 杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性, 并能够给出具有大变形张紧构型. 在此基础上, 揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为, 并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.      

Influence of the flexibility of links on the dynamics of a multilink robot manipulator

The influence of the distributed flexibility of links on the dynamic behavior of a cantilevered multilink robot manipulator is studied. Two dynamic models of the robot are considered. In one of the models, the effectors are flexible. It is described by a hybrid system of ordinary and partial differential equations. In the other model, the manipulator links are perfectly rigid. It is based on the Lagrange formalism and described by a system of ordinary differential equations. To estimate the positioning accuracy, the results of modeling the manipulator in both cases are compared. A three-link manipulator is examined as an example __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 43, No. 5, pp. 126–137, May 2007.     

考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。     

多机械臂搬运同一物体的协调动态载荷分配

针对多机械臂共同搬运同一物体形成闭运动链的协调系统,研究了多机械臂协调动态载荷分配存在冗余情况下的实时性分配方法文中提出了“应集中惯性质量棒”的概念,进而根据各机械臂的承载能力,采用线性加权的方法发展了一种操作物体质心处零内力的载荷分配原则。最后给出了系统载荷分配的解析表达式,有效地解决了多机械臂搬运同一物体时其动态载荷分配的实时性问题。     

Some problems for dynamic computation of closed cylindrical shell due to axial impact load

The present paper treats some of the problems for dynamic computation of closed cylindrical shell due to an axial impact load, including the calculations of the dynamic stresses and the problems of stability. It analyses the changes of the momentums and the energy in the impact process, takes into account the effect of the mass of the striking object and the system of the closed cylindrical shell to be struck, turns the distributed mass of the total cylindrical shell into an “equivalent mass” being concentrated on only at one end of the shell by using the way of reduced mass, and accordingly derives the dynamic factor of the closed cylindrical shell under the axial impact load, hence resolves the questions of calculation of the dynamic stresses in the loaded case mentioned above and found out the critical loading.     

Influence of elastic compliance of links on the dynamics and accuracy of a manipulating robot with rotational and translational joints

We pose problems of dynamic and kinematic control of spatial motions for multilink manipulating robot with elastic links and with rotational and translational joints. These problems are reduced to solving a system of ordinary and partial differential equations of hybrid type in the independent variables. We use a numerical integration algorithm for such systems which was developed earlier for manipulating robots with elastic links of anthropomorphic type. We discuss the difficulties arising in mathematical simulation of manipulating robots with simultaneously rotational and translational joints and with elastic links. To perform a comparative analysis and estimate the positional accuracy for the center of mass of the weight transported by the manipulator, we pose problems of dynamic and kinematic control of spatial motions of a manipulating robots with rigid links and with rotational and translational joints. The resolving equations obtained in this case are based on the Lagrange formalism of the second kind. By way of example, we present the solution of dynamic control problems for elastic and rigid two-link manipulators with one translational and two rotational joints.