机器人动力学与控制专题序

机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节,也是形成机器人终极产品性能评价指标重要的科学依据,以往机器人的发展已经表明,多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现,可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化将成为未来机器人发展的重要方向,使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体,因此,以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强,其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐,同时,这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。本刊组织了“机器人动力学与控制研究专题”,主要介绍以下两个方面的研究进展。     

结构和系统的动力学与控制专刊序

动力学与控制作为现代力学的一个重要分支,主要研究动力学的基本原理、离散和连续系统的动力学特性及其控制问题.它从动态系统的观点出发,研究系统的各种运动形式、变化规律及其控制策略,为认识自然和科学现象提供理论方法和分析工具,对工程技术发展具有引领和推动作用.从20世纪80年代以来,动力学与控制学科的研究深度和广度都发生了重大的变化,无论在理论和还是应用上都取得重要的进展.当前动力学与控制研究进入一个新的阶段,发展特点表现在以下方面.     

变长度弹性伸缩腿双足机器人动力学与控制

研究了半被动双足机器人的平面稳定行走的控制问题．基于弹簧质点模型，采用拉格朗日方法分别得到双足机器人单支撑阶段与双支撑阶段的动力学方程，对机器人系统的动力学方程求得周期解．应用非线性系统状态反馈线性化理论，在双足机器人的单支撑阶段和双支撑阶段中，通过控制双足机器人的腿长度，实现稳定的周期行走．在理论分析的基础上，对控制算法进行了仿真与研究．结果表明：在周期行走过程中，文中采用的变长度控制算法可以使双足机器人克服外界的干扰，并具有较强的抗干扰性．     

多体系统动力学与分析动力学专题序

正全国多体系统动力学暨控制学科组和全国分析动力学学科组联合全国航天动力学与控制学科组于2019年9月20日至23日在湖南长沙联合召开了"第十一届全国多体动力学与控制暨第六届全国航天动力学与控制和第十四届全国分析力学联合学术会议".该次会议是中国力学学会动力学与控制专业委员会下属的3个专业组首次联合举办的全国性会议,后续会议将由3个专业组轮流承办.会议主席胡海岩院士在致辞中充分肯定了这次联合会议对促进学科交叉和融合的重要作用.     

柔性变截面滑移式机器人手臂的动力学与控制

本文研究柔性变截面滑移式机械手的动力学与控制。首先利用Ｋａｎｅ方法分析柔性机械手的振动特性；然后基于有限元法导出一种控制机械手振动的模型，将控制过发为“粗控”和“精控”两步进行；最进行了数值模拟。     

机器人动力学综述

本文介绍机器人动力学的逆问题和正问题.在介绍逆问题时着重介绍计算方法,并且列出乘法运算和加法运算的次数,介绍了当前最快的运算方法.在介绍正问题时着重介绍了国外用于机器人动力学仿真的数值计算程序和符号推导程序.对于柔性机器人本文介绍了目前较为成熟的几种方法,并且着重介绍了缩减自由度的几种措施.最后介绍了步行机器人的研究动态和研究方向.     

航天动力学研究进展专辑 序

半个世纪以来,航天动力学的研究取得了较为丰硕的成果,中国航天走出了一条独立自主的发展道路,先后成功实现了“东方红一号”卫星、载人航天工程和探月工程三大里程碑的跨越．2012年6月29日,神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器载人交会对接任务的顺利完成,标志着我国航天技术水平又向前迈进了一大步．航天器和运载火箭作为体现航天技术发展的主要载体,其研制、发射和运行是一项庞大的系统工程,而动力学分析、设计及试验验证则是航天器和运载火箭研制过程中的重要环节,动力学建模、分析方法及试验技术的正确合理性直接影响着航天器和运载火箭的设计水平,甚至决定着航天任务的成败．     

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

国际流体控制与机器人学术会议

由中国力学学会流体控制工程专业委员会发起,由成都科技大学负责主办的国际流体控制与机器人学术会议于1990年10月11日在成都召开.来自日本、南朝鲜、澳大利亚、英国、德国、意大利、罗马尼亚和中国的正式代表113人.11日上午举行全体会,会议由成都科大赵安墉教授主持,成都科大校长王建华教授致开幕词;哈尔滨工业大学许跃铭教授、西安交通大学史维祥教授、日本崎玉大学荒木献次教授、澳大利亚 Monash 大学 P.Dra-nsfield 教授分别在大会上作了学术报告.11日下午和12日全天有122位代表在5个分会     

振动能量采集与振动控制序

<正>振动是自然界中常见的现象,振动超过一定限度时,会对人体、设备和设施造成损伤.研究人员一般从两个方面处理振动:一方面采用振动控制技术,包括吸振、隔振、减振等,降低从振动源传输到主体的振动能量;另一方面采用能量采集技术,将振动能量转换为电能,并储存起来为低功耗电子设备供电,即能量的重新分配与利用.振动能量采集与振动控制具有相通的力学原理与方法.近年来研究者们对振动能量采集与振动控制进行了深入研究,实现自供能传感、重大装备减振降噪、自反馈振动控制等,促进我国高端智能化装备研制,助力国家“双碳”目标实现.     

岩体动力学和岩体动力工程专题序

<正>随着我国西部大开发战略和“一带一路”倡议的实施,一大批国家重大基础设施建设如白鹤滩水电站、锦屏二级水电站、南水北调西线工程以及其他岩石工程建设陆续开展。同时能源地下储存、高放核废物的深地质处置、二氧化碳地下封存等岩体工程也引起政府的高度重视,有些已纳入国家发展规划。这些岩体工程建设带来了许多岩石力学前沿课题和亟待解决的工程技术难题,为岩石力学学科提供了前所未有的发展机遇。岩体工程在施工和服役阶段,地震、爆破等动载荷不可避免会对其造成不同程度的扰动,     

深空探测中的动力学与控制

主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题,分析研究现状和发展趋势,尝试提出新的研究课题.     

平流层飞艇动力学与控制研究进展

本文简要介绍了飞艇的发展沿革和研究现状. 通过同传统的航空器、航天器、潜艇和低空飞艇进行比较, 阐述了平流层飞艇的飞行原理. 从基本运动模型和复杂受力情况的角度, 系统地讨论了飞艇动力学研究进展, 包括空气动力学研究、静力分析、热力学分析、柔性体动力学及流固耦合研究. 然后综述了飞艇控制方法研究进展, 包括小扰动线性化控制、输入输出反馈线性化控制、基于Lyapunov 非线性稳定性的控制及其他控制方法. 最后展望了在平流层飞艇动力学与控制领域需要从6 个方面加强研究.      

工业机器人与其控制

开发情况机器人从空想的世界到实用装置的出现,是在六十年代,一九六二年美国Unimation公司发表了名叫Unimate的robot(万能自动机械装置)。AMF公司发表了名叫Versatran的robot(通用搬运及位置控制装置)。从此以后在美国掀起了robot热。斯坦福大学(SRI)进行了robot机械的研究,麻省理工学院(MIT)进行了立体视觉,图象识别的研究,通用电气公司(GE)进行了生物机能机构化的研究。但到六十年代的后半期,robot的开发工作中断了,大约十年左右处于停滞状态,其原因是由于距离实际的需要尚远,特别是电子技术的发展与计算机技能尚不能满足要求,当时的宇宙技术及生物工程学的发展吸引了大批的学者,这也影响了robot技术的发展。     

欠驱动空间柔性机器人动力学建模与实时仿真

研究了在轨服务欠驱动空间柔性机器人的广义递推高效动力学算法. 根据系统中铰的驱动情况分别对铰链定义为主动铰和被动铰,通过判断铰链的类型分别按照两次从系统的顶端到基座的顺序、一次从基座到顶端的顺序进行了系统铰接体惯量的递推、系统冗余力的递推和广义加速度和广义主动力的递推. 通过上述3 种方式的递推过程建立了空间机器人广义递推动力学模型,实现了高效率O(n) 次的计算效率. 然后采用线性多步积分算法,对所建立的微分-代数方程进行了快速的数值求解. 最后通过软件编制仿真验证了本研究内容的正确性和高效性.     

机器人在轨组装结构的耦合动力学与步态优化

机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一,但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应,给空间结构的建造带来了新挑战.针对三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题,提出一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法.首先,基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立机器人-结构耦合动力学模型,该模型可用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应.然后,基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系,以降低结构振动响应为目标开展了机器人行走步态的优化研究.最后,对机器人不同蠕动步态运动方式下的空间结构动力学响应进行了数值仿真,重点分析了机器人以不同步频、不同步长以及不同抬起高度行走移动时对空间结构动力学响应的影响规律.仿真结果表明,空间结构的动力学响应与机器人的运动方式密切相关.因此在设计行走移动组装机器人的运动步态步频时应避免为空间结构固有频率的两倍,同时在保障机器人组装安全稳定的前提下应尽可能减小运动步长和抬起高度.并且通过对机器人运动步态进行优化调整可以有效抑制空间结构的振动.     

平面型机器人的一些动力学特性

本文用振动理论中消除长期项的方法求出三自由度平面型机器人方程的反应曲线,对多激振力多体系统的振动问题作了一些探讨。根据反应曲线得到机器人的跳变频率,并说明跳变频率在机器人控制系统设计中的应用。     

机器人柔性手臂的动力学有限元分析

本文将弹性动力学虚功原理推广到机器人柔性动力学,建立了计及关节弹性和关节阻尼的柔性手臂有限元动力学模型,模型中包括了非线性刚体运动和弹性变形间的耦合。文中还导出了手臂参考坐标系间的运动学递推关系。本文方法推演简单、计算效率高,能够用于具有任意复杂部件的柔性机器人动力学分析。