KINETICS ANALYSIS OF NON-SMOOTH VIBRATION-DRIVEN SYSTEM WITH THREE-PHASE CONTROL 1)

可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.     

振动驱动移动系统平面避障运动分析

近年来,工业机器人的应用领域日益广泛,可移动机器人的发展备受关注,为了在一些复杂环境中准确地完成作业,学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文研究了在各向异性黏性摩擦环境中一类有两个在平行轨道内做正弦运动的内部质量块的振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统完成包括避障等规定作业的驱动设计方法.首先利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;然后,利用速度Verlet积分法分析了系统的运动规律,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;最后,结合振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统沿预设路径运动和实现避障运动的驱动设计方法.通过曲线离散得到了系统沿预设路径运动的移动轨迹,进而通过改变内部质量块的驱动参数,使系统沿预设路径运动.为了使移动系统在障碍物环境中达到目标位置,提出了结合栅格法,Floyd算法及最小顶点圆法的优化的路径规划计算方法,得到了振动驱动移动系统在障碍物环境中运动的最优路径,并通过改变内部质量块的驱动参数实现了移动系统的避障运动.     

振动驱动移动机器人直线运动的滑移分岔

近年来,随着移动型机器人设计技术水平的不断提高,其运动形式日趋多样. 借助于仿生学的思想,模仿蚯蚓等动物的蠕动成为不少机器人设计者所追求的目标. 为了实现这一目标,学者们提出并研究了振动驱动系统. 本文研究了各向同性干摩擦下,单模块三相振动驱动系统的粘滑运动. 考虑到库伦干摩擦力的不连续性,振动驱动系统属于Filippov 系统. 基于此,运用Filippov 滑移分岔理论,分析了振动驱动系统不同的粘滑运动情况. 根据驱动参数的不同,系统运动的滑移区域被分成4 种基本情形. 对这些情形分类讨论,得到系统的6 种运动情况. 然后对这6 种运动情况进行归纳,最终得出系统一共存在4 种不同的粘滑运动,而且也解析地给出了发生这4 种粘滑运动的分岔条件. 分岔条件包含系统的3 个驱动参数,通过变化这些参数,得到了系统运动的分岔图. 借助分岔图,详细分析了随着驱动参数的变化,系统如何实现不同粘滑运动类型之间的切换,并从分岔角度给出了相应的物理解释. 最后,通过数值方法直接求解原运动方程,数值解法得到的4 种运动图像与理论分析一致,验证了系统运动分岔研究的正确性.      

三相驱动下含两质量块刚体的平面运动

本文研究了一类含两个质量块的振动驱动系统在粘性摩擦下的平面运动,其中两个内部质量在相互垂直的水平槽道上作三相运动。利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;其次,利用系统直线运动时的理论解,验证速度Verlet积分法的可靠性;利用这种算法分析了系统的平面运动,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;然后,基于数值分析结果,通过调节内部驱动参数,得到了系统在不同轨迹间的六种转换形式;最后,通过组合不同的转换形式,得到了曲率连续变化的平面运动路径。     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.      

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.     

黏弹性传动带1:3内共振时的周期和混沌运动

研究了参数激励作用下黏弹性传动带在1:3内共振时的周期解分岔和混沌动力学. 同时考虑传动带的线性外阻尼因素和材料内阻尼因素. 首先建立了具有线性外阻尼情况下的黏弹性传动带平面运动时的非线性动力学方程, 黏弹性材料的本构关系用Kelvin模型描述. 然后考虑黏弹性传动带的横向振动问题, 利用多尺度法和Galerkin离散法得到黏弹性传动带系统在1:3内共振时的平均方程. 最后利用数值模拟方法研究了黏弹性传动带系统的周期振动和混沌动力学, 得到了系统在不同参数下的混沌运动. 数值模拟结果说明黏弹性传动带系统存在周期分岔, 概周期运动及混沌运动.     

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.     

平带驱动系统的振动分析研究进展

综述汽车发动机中带张紧装置的平带驱动系统振动分析的研究进展,在转动振动的力学模型和相应数学模型基础上,总结了用数值方法,复模态分析方法和增量谐波平衡法进行线性振动和非线性振动分析以及打滑预测的结果,在转动－横向耦合振动的力学模型和数学模型基础上,总结了用数值方法,Holzer法,模态分析法和直接多尺度法进行线性振动和非线性振动分析的结果,最后提出需要深入研究的若干问题。     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究.首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模,在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度,其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力,在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解...     

A comprehensive study on the behavior of a rigid block on an oscillating ground with friction,elastic and viscous forces

This paper investigates the behavior of a non-linear mechanical model where a block is driven by an oscillating ground through Coulomb friction, a linear viscous damper and a linear spring. The governing equation is solved analytically for different partial configurations: friction only, friction with viscous damping, friction with a linear restoring force, and for the complete model. Using dimensionless groups, the analysis of the block motion provides a comprehensive set of information on the motion regime (stick, stick-slip or permanent sliding), on the dominant energies or forces, on the resonance and on the amplification of the ground oscillation by the system. The limit between the stick-slip regime and the permanent slipping regime is found either analytically or numerically. It is also shown that there exists a set of parameters for which the friction force, the viscous dissipative force and the elastic restoring force are equal.     

滚动问题中摩擦力的判断

刚体滚动时摩擦力的判断是工程力学中极易引起学生困惑的问题. 在对摩擦力产生原因进行分析的基础上, 确定了刚体纯滚动时静摩擦力的计算公式和判定方法. 刚体作纯滚动时静摩擦力所作总功为零, 仅实现刚体平动动能和转动动能之间的相互转化, 其方向总是阻碍主动力引起的物体运动趋势并使其向另一种运动转化; 刚体作有滑滚动时滑动摩擦力所作总功为负, 其方向与刚体滑动方向相反, 并实现刚体平动动能和转动动能之间的相互转化.     

A modified LuGre friction model for an accurate prediction of friction force in the pure sliding regime

We propose a new friction model based on the well known LuGre friction model that can accurately describe the nature of friction force in the gross sliding regime. The modification is based on the responses observed from a single degree-of-freedom friction-induced vibration system. Numerical analysis shows that the friction curve in the gross sliding regime can only show counter clockwise hysteretic loops without violating other essential features. We then develop a new friction model by modifying the LuGre friction model that can describe both clockwise as well as counter clockwise hysteretic loops in the pure sliding domain.     

粗糙平面上陀螺的稳定性

本文用摄动法讨论微粗糙平面上轴对称陀螺绕直立的极轴或赤道轴永久转动的稳定性。作为摄动因素的摩擦力是滑动速度的任意非线性函数。导出的解析形式稳定性判据与Contensou-Magnus线性理论一致,但摒弃了线性摩擦假定,指出刚体在接触点处滑动速度的方向是影响陀螺旋转稳定性的主要因素,并给出明确的物理解释。