基于控制的柔性机器人及其协调操作动力学建模与分析

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机器人协调操作和柔性机器人的研究是当前机器人领域中的两个前沿课题。目前,国内外学者在这两个领域内进行了大量的研究,并将机器人协调操作与柔性机器人的研究结合起来,形成了柔性机器人协调操作这一新的研究课题。多柔性机器人的协调操作能综合柔性机器人和协调机器人两方面的优势,从而克服了单柔性机器人变形误差大、振动剧烈等缺点,使得机器人系统的性能进一步提高。但是这些研究一般都采用有限元法和Lagrange方程来建立机器人系统的动力学模型,其方程数目多、维数高,求解速度慢,很难应用到实际的工业控制中,本文则在这一问题上做一定的尝试。 本文采用假设模态法和Lagrange方程建立了柔性臂机器人及其协调操作系统的动力学模型,并以柔性机器人协调操作系统为重点研究对象,对柔性机器人协调操作刚性负载的动力学建模进行了系统深入的研究。 首先,采用假设模态法和Lagrange方程建立了单柔性机器人的动力学模型,并推导出了动力学方程,给出了其正、逆动力学问题的解法。最后通过仿真算例验证了本方法的可行性和有效性。指出采用本方法可以大大减少动力学方程和广义变量的数目,从而降低了动力学方程的复杂程度,提高其运算速度,有利于应用到实际的机器人控制中。 其次,在分析了柔性机器人协调操作系统区别于刚性机器人协调操作系统的两个本质特性的基础上,给出了柔性机器人协调操作刚性负载的运动学和动力学协调约束条件,并利用这些协调约束条件,采用假设模态法和Lagrange方程,推导出协调操作系统的动力学方程。文中通过仿真算例来对本方法加以了验证。 最后,在前面分析的基础上,采用柔性机器人协调操作的位姿误差动态校正策略,以两柔性机器人协调操作刚性负载完成给定的目标轨迹作业任务为例,规划了两柔性机器人各关节的校正输入量,通过改善关节的输入来提高系统的位姿操作精度,取得了较满意的结果。
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