基于关节支反力的移动并联机械手动力学性能验证研究
一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学建模和运动控制_胡俊峰
一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学建模和运动控制X DYNAMIC MODELING AND KINEMATIC CO NTROL OF A NOVEL 2-DOF FLEXIBLE PARALLEL MANIPULATOR胡俊峰X X1张宪民2(1.江西理工大学机电工程学院,赣州341000)(2.华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640)HU JunF eng1ZHAN G XianM in2(1.School o f Mechanical&Electrical Engineering,Jiangxi University o f Science andTechnolo gy,Ganzhou,341000,China)(2.School o f Mechanical&Automotive Engineering,South China University o f Technology,Guangzhou510640,China)摘要对一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学模型和运动控制进行研究。
首先,考虑刚)柔耦合影响,利用假设模态法和Lagrange乘子法,推导出系统的动力学方程,该方程为微分)代数方程组。
为了设计控制器,采用坐标分块法将该微分)代数方程组化为二阶微分方程组。
然后,根据机械手的控制要求,采用滑模变结构方法设计控制器,该控制器能跟踪所期望的运动轨迹,同时柔性构件的弹性振动得到抑制。
仿真结果表明该控制器的可行性和有效性。
关键词并联机械手柔性构件滑模变结构控制假设模态法中图分类号TH112TH113Abstract For a novel2-DOF(degree of freedom)flexible parallel manipulator,i ts dynamic model and kinematic control were studied.Taking into account the effect of rigid-flexible coupling,the dynamic equations of the system were derived by using assu med mode method and Lagrange multiplier method.It is a differential algebraic equations.In order to design a controller,the coordinate-par-titioned method is used to convert the differen tial algebraic equations in to a second-order differential equations.According to the demand of control,the variable structure control method is applied to design the controller in order to acq uire desired trajectory and attenuate the elastic deformation of flexible parts.The si mulation resul ts show the feasi bility and effectivenss of the controller.Key words Parallel manipulator;Flexible part;Variable structure control;Assum ed mode methodCorrespon ding author:H U JunFen g,E-mail:h jf su per@,Tel:+86-20-87110345,Fax:+86-20-87110069The project supported by the National Natural Science Foundation of Chi na for Distinguished Young Scholars(No.50825504).Manuscript received20091009,in revi sed form20100104.引言并联机器人具有高速度、高精度、高承载能力等特点,在许多领域得到应用。
移动机械手动力学分析及其控制器的设计的开题报告
移动机械手动力学分析及其控制器的设计的开题报告一、选题背景随着工业自动化程度的不断提高，移动机械手在生产与制造领域中扮演越来越重要的角色。
由于其具有移动灵活、操作精度高、适用范围广等特点，已经在各个领域得到广泛应用，如汽车、航空航天、电子、钢铁等。
移动机械手的动力学分析及控制器设计是其关键技术之一，直接影响其运动精度和控制效果。
因此，本文将着重研究移动机械手的动力学分析和控制器设计，探讨其在工业自动化中的应用。
二、研究内容1、移动机械手的动力学分析通过分析移动机械手的运动学和动力学特点，建立其运动学和动力学模型，综合研究其运动控制和力控制方法，进而探究其在自动化生产中的应用。
2、移动机械手的控制器设计通过PID控制、模糊控制、遗传算法等方法，设计出适应移动机械手运动特点的控制器，实现其运动精度和控制效果的优化。
3、实验验证在实验室环境下，搭建移动机械手控制系统平台，开展实验验证，考察所设计的控制器的控制效果和稳定性。
三、研究意义1、提高移动机械手运动精度和控制效果；2、推动工业自动化进程，提高生产效率；3、加强我国移动机械手技术的研究，提升我国制造业技术水平。
四、研究方法1、文献调研法通过文献调研，了解移动机械手的发展历程、现状及存在的问题等，在此基础上制定研究方案。
2、理论分析法通过对移动机械手的运动学分析、动力学分析等理论研究，建立运动学和动力学模型，并研究其运动控制和力控制方法。
3、设计实验法基于理论分析和算法设计所得结果，利用MATLAB等工具实现控制算法，并在实验室进行实验验证。
五、研究进度安排1、文献调研和理论分析（1-4周）；2、建立运动学和动力学模型，并研究其运动控制和力控制方法（5-8周）；3、设计控制器算法（9-12周）；4、实验验证（13-16周）；5、撰写毕业论文（17-20周）。
六、预期成果1、建立移动机械手的运动学和动力学模型；2、设计适用于移动机械手的控制器算法；3、实现移动机械手运动精度和控制效果的优化；4、开发适用于移动机械手的控制系统平台；5、撰写毕业论文及发表相关学术论文。
基于ADAMS的多关节机械手手抓部分的运动学仿真研究
的多关节机械手手抓部分的其中，nh是约束方程的个数；nc是广义坐标数。
于是可以得到系统速度的约束方程：（4）。
任意时刻t的速度，加速度可以由线性方程的数值方法求解，在ADAMS中通常采用图1 机械手三维装配三维模型的建立虚拟样机的三维模型的建立采用Solid完成，主要包括手抓、底座、大臂机构、小臂机构等，底座上有一电动机带动，实现大臂的转动。
大臂及其小臂的活动主要由液压缸带动，本文重点介绍机械手手抓部分的运动学分析，图2是机械手的三维装配图。
图2 手抓部分装配图立模型过程中遵循的原则。
建立模型之后，导入ADAMS化处理，在满足虚拟样机仿三维模型的建立要尽可能地数量应该尽可能的少,只保留基本的运动部件。
（2）机械手的结构及其分析。
本机械手实现的运动是平均每分钟抓取4次，旋转的角度是是机械手的机构运动简图，电动机带动齿轮转动，实现底座的转动，抓取物料时，由手抓图3 机械手机构运动简图机械手手抓的模型简化及其导入ADAMS中遵循模型的简化原则，将手抓的三维模型简化，模型建立部分使用Solid Edge ST5实现，ADAMA/View提供的Parasolid模型数据交换接口，将模ADAMS软件中。
导入后为模型的每个零件重命名和添加材料属性（steel）。
鉴于本文只研究机械手手抓部分的运动，故将删除了模型中与小臂链接的链接底座、前后缸盖以及套筒等的结构，完成简化后，为了使各个相对运动的部分形成有机的整体，根据构件之间相对运动，在模型中的利用ADAMS/View中的约束工具为各个构件之间引入约束。
图为导入ADAMS后的模型图。
图4 手抓简化仿真模型机械手手抓部分的仿真 机械手的手抓部分是机械手设计的重要部分，也是实现机械工作的必要条件，设计的目的是机械手每分钟中国设备工程 2024.04（下）图5 机械手手抓部分约束的添加机械手的整个驱动部分选用气压驱动，其中包括大小臂的运动以及手抓的张合，液压驱动最大优点是单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可以达到很高的工作压力，在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。
一种新型并联机器人的运动性能
收稿日期:2003-05-13基金项目:国家高技术研究发展计划项目(863-512-30-07)作者简介:孟祥志(1972-),男,安徽萧县人,东北大学博士研究生,讲师;蔡光起(1947-),男,河北沧州人,东北大学教授,博士生导师第24卷第11期2003年11月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 24,No.11Nov.2003文章编号:1005-3026(2003)11-1078-04一种新型并联机器人的运动性能孟祥志1,伍 懿1,刘志峰2,蔡光起1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004; 2.北京工业大学,北京 100022)摘 要:介绍了一种新型三腿并联机器人,给出了机构的运动学方程和雅可比矩阵,分析了机器人的工作空间 通过机器人的可操作性指标和雅可比矩阵条件数指标分析了机构的奇异性和灵巧性 由仿真分析结果可知,该并联机器人具有较大的工作空间,并且工作空间关于x 轴对称 机器人在整个工作空间内可操作度W 在(0 8,2 45)内变化 说明机器人在整个工作空间中没有奇异形位和不定形位,具有良好的可操作性 雅可比矩阵条件数C (J )在(1 0,6 2)内变化,并且C(J )在随X ,Y ,Z 变化时没有突变,说明该机构运动灵巧性好关 键 词:并联机器人;雅可比矩阵;工作空间;奇异性;可操作度;灵巧性中图分类号:T P 242 2 文献标识码:A评价机器人的几何特性时,工作空间[1~5]的大小常用来作为一个重要的衡量指标,但是由于在工作空间内可能存在奇异点[5~9],机器人处于奇异形位时,机构的雅可比矩阵的行列式为零,此时操作器的运动反解不存在,对于并联机构而言,这意味着有多余的自由度,所以机构的运动不确定 在机器人实际操作中应当避免使机构处于奇异形位 实际上,就机器人的操作和控制精度而言,机构不但应该避免奇异形位,而且应该在远离奇异形位的区域工作,因为当机构接近奇异形位时,其雅可比矩阵将成为病态的矩阵,此时雅可比矩阵的逆矩阵精度降低,从而使机构的输入和输出运动之间的传递关系失真,造成控制困难 灵巧性是反映机器人运动传递性能的一个重要指标,通常使用机器人的雅克比矩阵条件数来衡量1 机器人机构及运动学方程并联机器人的结构如图1所示,机器人的三条变长腿分别与固定铰支座以虎克铰联接与动平台以球铰相联 平行约束机构由两个平行四边形机构组成,迫使动平台上的中心轴线始终与双十字轴的回转轴线C 1C 2平行 这样,动平台就只能分别沿双十字轴的回转轴及约束机构两个回转轴线转动,从而动平台具有三个自由度 固定轴线C 1C 2与水平面呈45 角配置,工作头可以绕动平台中心轴线转动 这样,工作头上的加工刀具不但可以进行立式加工,将工作头旋转一定角度后还可实现卧式加工图1 并联机床结构简图Fig.1 Sketch of the paral lel machine tool机器人的运动学逆解方程为[10]L i =b ixc 1+b i z s 1+x p -B iXb ix s 1s 45 -b izc 1s 45 +x p -B i Y -b i x s 1c 45 +b iz c 1c 45 +x p -B iZ ,i =1,2,3(1)从而得到三根驱动杆的长度为l i =l 2i X +l 2i Y +l 2iZ ,i =1,2,3(2)式中,b i x ,b iz 为动平台铰链点在动系中的坐标值;B iX ,B i Y ,B iZ 为固定铰链在定系中的坐标值; 1=arctan2x pz p -y p2 雅可比矩阵雅可比矩阵是机器人的一个重要参数 它是指从关节空间向操作空间运动速度传递的广义传动比[5,9];是机器人速度分析、受力分析和误差分析的基础由方程(1)可以得出机器人的雅可比逆矩阵为J-1=J 11J 12J 13J 21J 22J 23J 31J 32J 33(3)其中,J i 1=e ix +z -y2x 2+(z -y )2(k iy +k iz );J i 2=e iy +x2x 2+(z -y )2(k iy +k iz );J i 3=e iz +x2x 2+(z -y )2(k iy +k iz );e i =L i /l i ;k i =Rb i e i ;i =1,2,33 工作空间工作空间是指并联机器人正常工作时,末端执行器在空间运动的最大范围 工作空间从几何方面描述并联机器人的工作能力,是并联机器人性能的重要指标和进行机构设计、运动规划的重要依据 机器人工作空间的大小和形状主要取决于杆长的变化范围、平行约束机构中三个回转铰的转角变化范围及球铰和虎克铰的转角变化范围由仿真得到的工作空间图(图2)可以看出该机器人的工作空间大致呈倒立的四方锥台形,有效空间大,并且关于x 轴对称图2 并联机器人的工作空间Fig.2 Workspace of the paral lel robot4 机构的奇异性当机器人处于奇异位形时,机构的实际自由度不再与理论自由度相等 即存在两种情况:一是机构丧失了应有的自由度,二是机构获得了额外的自由度 机构自由度的丧失意味着机构某种功能的丧失;机构获得额外自由度则导致机构失控一般而言,奇异是有害的 机构奇异性研究的内涵体现在两个方面:找出确定机构的所有奇异位形,以及如何有效的避免机构奇异 研究机构奇异的方法主要有两种:代数法和几何法 代数法就是以雅可比矩阵行列式det (J )为操作对象,当det (J )=0时,表明机构处于奇异位置,机构丧失一个以上自由度 几何法则是将机构的各分支运动链的运动副轴线抽取出来形成一个空间线丛,机构奇异的研究就转化为空间线丛的相关条件研究 Grassmann 线几何法是典型的代表 并联机器人的设计和应用首先应避开奇异及其附近位形 本文采用机构的可操作度指标来研究并联机器人的奇异性问题可操作度是将雅可比矩阵与其转置乘积的行列式作为评价机器人操作能力的指标 即W =det (J J T ) (4)当W =0时,可判断机器人处于奇异形位,当W= 时,可判断机器人处于不定形位,当W 0且W 时,机器人处于非奇异形位,而且W 的值能直观的反映机器人远离奇异形位和不定形位的程度由工作空间分析知道,X ,Y ,Z 分别在(-856 54,856 54),(-1787 40,-853 12),(-80 15,944 69)范围内变化,图3是用可操作度指标在matlab 下进行仿真的部分结果 由仿真结果知,并联机器人在整个工作空间内的可操作度变化范围处于0 8<W <2 45之间 说明机器人在工作空间中没有奇异形位和不定形位,具有良好的可操作性图3 并联机器人的可操作度Fig.3 Operabili ty of the parallel robot(a) Z =350mm;(b) Y =-1400mm;(c) X =0mm1079第11期 孟祥志等:一种新型并联机器人的运动性能5 机构的灵巧性机器人运动的灵巧性是指该系统在当前位姿状态下沿指定方向运动的能力 系统若能以较小的关节速度使执行器沿指定方向获得较大的运动速度,则认为沿此方向机器人的运动灵巧性好,反之认为机器人运动灵巧性差为了定量的分析操作器的灵巧性和运动反解精度,Salisbury等提出了采用雅可比矩阵条件数来作为机器人的灵巧度,Yoshikaw a提出用可操作度来衡量操作器的灵巧性,这两种方法本质上都是通过对雅可比矩阵处理而得到的 由于矩阵的行列式的值并不能代表矩阵求逆的精度和稳定性,而矩阵的条件数则可以定量地表示矩阵求逆的精确度和稳定性 因此用操作度衡量机构的灵巧性有一定的缺陷,用矩阵条件数来表示机器人的操作灵巧性比较合理机构驱动杆的速度和执行器的速度有如下关系v p=Jv l (5)若驱动杆的输入速度有一增量 v l,则执行器的速度也有一增量 v p,则有v p v p J J-1v lv l (6)式中, 表示任意矩阵范数,J J-1就称为雅可比矩阵的条件数,用C(J)表示 它衡量雅可比矩阵的逆矩阵的精确度,它的取值范围是1 C(J) ,C(J)值越大,驱动杆伸缩速度相对变化对执行器速度相对变化的影响就越大,此时, C(J)是这种变化的放大因子 在进行机器人机构设计时,应该使机构的雅可比矩阵的条件数在其操作范围内尽量为较小的值 当条件数为1时,机构处于最佳的运动传递性能,称机构的这一形位为运动学各向同性 当雅可比矩阵的条件数是无穷大时,机构处于特殊形位矩阵条件数的计算式还可以表示为C(J)= M/ m (7)其中, M, m分别为矩阵的最大和最小特征值 图4为用雅可比矩阵的条件数指标在matlab 下进行仿真的部分结果 由仿真结果知,并联机器人在整个工作空间内的雅可比矩阵条件数的变化范围处于1 0<C(J)<6 2之间,并且C(J)在随X,Y,Z轴变化时没有突变,说明该机构运动灵巧性好图4 机器人的雅可比矩阵条件数Fig.4 C ondi tion number of the Jacobi an matrix(a) Z=350mm;(b) Y=-1400mm;(c) X=0mm6 结 论(1)本文介绍的并联机器人具有较大的工作空间,并且工作空间关于x轴对称(2)该机器人在整个工作空间内可操作度在(0 8,2 45)内变化 说明机器人在整个工作空间中没有奇异形位和不定形位,具有良好的可操作性(3)并联机器人在整个工作空间内雅可比矩阵条件数在(1 0,6 2)内变化,并且C(J)在随X,Y,Z轴变化时没有突变,说明该机构运动灵巧性好参考文献:[1]J i Z.Workspace analysis of s tew art platforms via vertex space[J].Jour nal o f Robotic Systems,1994,11(7):631-638.[2]Carretero J A,Nahon M,Podhorodesk i R P.Workspaceanalysis and optimization of a novel3-dof parallel mechanis m[J].International Jou rnal of R obotic s and Au tomation,2000,15(4):1021-1026.[3]Hunt K H.Structural kinemati cs of in-parallel actuated robot-arms[J].J of M ech Tr ans and Au to in Design,1983,105(11):705-712.[4]Fichter E F.A s tew art platform-based manipulator:generaltheory and practical construction[J].The InternationalJour nal o f Robotics Resear ch,1986,5(2):157-181. [5]黄真,孔令富,方跃法 并联机器人机构学理论及控制[M]北京:机械工业出版社,1997.148-186(H uang Z,Kong L F,Fang Y F.M echanism theory andcontrol o f parallel robots[M].Beijing:M ach i nery IndustryPress,1997.148-186.)[6]Joshi S A,Tsai L W.Jacobian analysis of li m i ted dof parallelmanipulators[J].T ranslations o f the AS M E Journal ofM e chanical Design,2002,124(6):254-258.[7]Gregorio R D,Vincenzo P C.M obility analys i s of the3-U PU parallel mechan i sm assembled for a pure translationalmoti on[J].Tra nslations of the AS M E Jou rnal ofM ec hanical Design,2002,124(6):259-264.1080东北大学学报(自然科学版) 第24卷[8]Romdhane L ,Affi Z,Fayet M.Design and singularity anlysis of a 3-translationa -l dof in -parallel manipulator [J ].Tr anslations of the AS M E Journal of M ec ha nical Desig n ,2002,124(7):419-426.[9]熊有伦,丁汉,刘恩沧 机器人学[M ] 北京:机械工业出版社,1993.87-114(Xiong Y L,Ding H,Li u E C.Robotics [M ].Beijing:M achinery Industry Press,1993.87-114.)[10]孟祥志,孙奕澎,黄炜,等 新型三腿并联机床的速度及加速度分析[J] 东北大学学报(自然科学版),2003,24(3):264-267(M eng X Z,Sun Y P,Huang W,et al .Velocity and acceleration analysi s of a new 3-legged i n -parallel machine tool [J ].Jour nal of Nor theastern Univer sity (N atur al Science ),2003,24(3):264-267.)Kinematic Behavior of a New Parallel RobotM EN G X iang -z hi 1,W U Yi 1,L I U Zhi -f eng 2,CA I Guang -qi 1(1.School of M echanical Engineer ing &A utomation,N ortheastern U niversity ,Shenyang 110004,China; 2.Beijing U niversity of T echnolo gy,Beijing 100022,China.Corr espondent:M EN G Xiang -zhi,E -mail:mex iz1972@)Abstract:A newly developed 3-leg par allel robot was concer ned with its kinematic behavior ,of w hich t he related equations and Jacobian matr ix were presented wit h its wor kspace analyzed.T he singular ity and smartness of t he robot mechanism were discussed by w ay of ascertaining the indices of operability and condition number of Jacobian matrix.T he r esults of simulation show that the robot has workspace sy mmetrical about X -axis.T he robot s oper ability W varies in a range from 0 8to 2 45w ithin its whole workspace,i.e.,an ex cellent operability w ithout singular/uncertain position.M eanwhile,t he matrix condition number C (J )varies in a rang e from 1 0to 6 2without sudden break if picking up any coordinated axis (X ,Y ,Z )to indicate its v alue.T hese r ev eal that the robot is of high kinematic smartness.Key words:parallel robot;Jacobian matrix ;w orkspace;singular ity;operability;smartness(Received M ay 13,2003)待发表文章摘要预报一类不确定线性系统区域稳定的可靠控制王福忠,姚 波,张嗣瀛针对具有不确定性的线性定常系统,提出了考虑执行器故障的圆盘极点可靠配置问题 在更一般、更实际的执行器故障模型的基础上,给出了将极点配置到指定圆盘内可靠控制存在的充分条件 通过求解L M I 完成状态反馈可靠控制器的设计 利用仿真实例验证了本文提出设计方法的可行性,并且通过与不考虑故障和不确定因素的系统比较,进一步说明对系统进行可靠极点配置的必要性非线性大系统的弱能观性韩志涛,段晓东,张嗣瀛将非线性系统的弱能观性的方法应用于非线性大系统,提出了非线性大系统的弱能观性的定义及非线性大系统的弱能观性的条件 由非线性子系统的弱能观性得到了非线性大系统的弱能观性 这个问题是非线性系统的一些重要问题之一1081第11期孟祥志等:一种新型并联机器人的运动性能。
6_HURU并联机器人机构运动学和动力学性能指标分析
[ 3 ] 戴春来 ,陈功 ,陆信. 梯流筛筛条的动态特性分析. 煤矿机械 , 1999 (2) :15～17
所对应的各项全域性能图谱 , 根据图谱可对其性 能进行分析 。
2. 1 运动学性能指标分析 2. 1. 1 角速度和线速度性能指标分析
由于机构的一阶影响系数矩阵 G 不是常数 矩阵 ,导致并联机构基于影响系数矩阵的角速度 和线速度的合理度量指标也不是常数 , 从而无法用 一个量来度量某一并联机构的灵巧度 、各向同性和
Abstract : Influence coefficient mat rix changes wit h configuration of mechanism. The paper presented a group of mechanisms including 121 mechanisms by changing t heir dimensions , t hen st udied performance index of kinematics and dynamics for 6 - HU RU parallel robot mechanism wit h different dimensions by bot h of t he first and second order influence coefficient mat rix of different sample point s in every mecha2 nism’s workspace. It breaks t hrough t he rest rictions due to considering only t he first order influence coeffi2 cient mat rix in t he past . Furt hermore , t he paper also discussed t he performance differences of mechanism wit h different dimensions by t he atlas of global performance index and validated t hem. The paper’s con2 tent s offer t he basis for designing parallel robot mechanism of t his type wit h good performance.
一种并联多指灵巧手的设计与运动学分析
一种并联多指灵巧手的设计与运动学分析方跃法;周思远【摘要】针对串联灵巧手的不足,利用并联机构的优势,设计并分析了一种新型多指灵巧手.根据构型综合方法,提出了一种三自由度的并联手指机构并对其进行运动学分析;基于手指机构的构型,设计出相适应的手掌,将其组合成多指灵巧手;分析并联多指灵巧手抓取能力和可达工作空间,与串联灵巧手的性能进行对比.结果表明,以并联机构设计的多指灵巧手具有良好的运动性能和工程应用前景.【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2019(035)005【总页数】5页(P127-131)【关键词】灵巧手;并联机构;运动学分析;抓取能力;工业生产【作者】方跃法;周思远【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044【正文语种】中文机械手与人手相比具有更强的负载能力和精确度，因此在大量重复性动作的工业生产活动中具有明显的优势，如食品工业中的采摘、抓放、装载等操作，机械手被广泛应用工业生产中。
但大部分机械手不具有自适应性，只能应用于某一类形状相同或相似的物品的操作，如果物体表面形状与机械手相差太大，就会影响抓持的稳定性。
同时，机械手不能在抓持状态下对物体进行操纵，在加工过程中若想改变物体的位姿，必须先放下物体再重新抓持。
随着工业生产的精细化和智能化，此类机械手已很难满足部分生产需求，如食品加工行业中，存在各种形状不一致、尺寸差别大的操作对象[1]，加工方式也多种多样，如果根据不同的产品，不同的加工方式对机械手进行重新设计，其成本非常高。
故多指灵巧手应运而生，与机械手相比，多指灵巧手能够抓持不同形态的物体，且能在抓持物体的情况下对物体改变物体姿态，这些特点被称为灵巧特性[2]。
上世纪80年代，斯坦福大学研究发现，多指灵巧手至少需要3个手指以及9个自由度才能具有灵巧特性。
此后，诸如 Okada 灵巧手[3],Stanford/JPL 灵巧手[4],Utah/MIT 灵巧手[5]等一系列著名的灵巧手被设计出来。
新型并联式踝关节康复机器人动力学分析与控制设计
新型并联式踝关节康复机器人动力学分析与控制设计汇报人：日期:•引言•新型并联式踝关节康复机器人结构设计目录•新型并联式踝关节康复机器人动力学分析•新型并联式踝关节康复机器人控制系统设计•新型并联式踝关节康复机器人控制策略研究•新型并联式踝关节康复机器人实验研究与性能评估目录•结论与展望01引言研究背景与意义踝关节损伤是常见的运动损伤，需要进行有效的康复训练来恢复关节功能。
并联式踝关节康复机器人作为一种新型的康复设备，具有操作简便、适应性强、安全可靠等优点，在康复医学领域具有广泛的应用前景。
动力学分析与控制设计是实现机器人高效、准确运动的关键技术，对于提高康复效果和扩大应用范围具有重要意义。
文献综述国内外学者对于并联式踝关节康复机器人的研究主要集中在机构设计、运动学分析、控制系统设计、人机交互等方面。
现有的研究成果为进一步研究并联式踝关节康复机器人的动力学分析与控制设计提供了基础和参考。
研究内容与方法研究内容本研究旨在通过对新型并联式踝关节康复机器人进行动力学分析与控制设计，实现机器人高效、准确的运动，提高康复效果和扩大应用范围。
研究方法采用理论建模与实验验证相结合的方法，首先建立机器人的动力学模型，然后设计控制算法，最后通过实验验证控制策略的有效性。
02新型并联式踝关节康复机器人结构设计结构类型并联式结构，具有空间三自由度。
主要特点体积小，运动范围大，动态性能好。
结构组成机器人主要由底座、旋转轴、连杆、驱动器和踝关节固定装置组成。
机器人结构概述030201踝关节固定装置固定患者踝关节，确保机器人在运动过程中稳定。
驱动器提供动力，驱动踝关节进行康复运动。
连杆连接旋转轴和踝关节固定装置，实现踝关节的康复运动。
底座机器人的基础，提供支撑和固定。
旋转轴实现机器人的三个自由度运动，连接底座和连杆。
机器人主要部件与功能采用电动驱动方式，具有高精度、高效率的特点。
驱动方式传动方式控制系统采用滚珠丝杠传动方式，具有高刚性、高精度的特点。
并联机器人动力学参数识别实验报告
并联机器人动力学参数识别实验报告引言在机器人领域，动力学参数识别是一项重要的研究任务。
并联机器人是一类特殊的机器人系统，其具有多个并联的机械臂，具有较高的运动灵活性和精度。
本实验旨在通过对并联机器人进行动力学参数识别，进一步了解其动力学特性，并提供参数化模型以便进行控制和规划。
实验设备和方法实验设备本实验使用了一台XYZ并联机器人，该机器人具有3个自由度。
实验中使用的传感器包括力传感器和陀螺仪，用于测量机器人的力和角速度。
实验方法1.首先，将机器人放置在实验平台上，并进行初始校准。
2.然后，通过给定一组输入力和角速度，记录机器人的输出运动。
3.使用传感器测量的数据，结合运动学和动力学模型，进行参数识别。
4.对比识别得到的参数与实际参数，评估识别的准确性和精度。
实验结果与分析识别参数经过实验和数据处理，得到了机器人的动力学参数。
其中包括质量、惯量、摩擦系数等参数。
参数准确性评估通过与实际参数进行对比，评估了识别参数的准确性和精度。
结果表明，识别参数与实际参数相差不大，具有较高的准确性。
参数化模型基于识别得到的参数，建立了机器人的参数化模型。
该模型可以用于机器人的控制和规划，提高机器人的运动性能和精度。
实验总结通过本次实验，我们成功进行了并联机器人动力学参数的识别。
通过识别得到的参数，我们可以更好地了解机器人的动力学特性，并提供参数化模型以便进行控制和规划。
实验结果表明，参数识别的准确性和精度较高，为后续的研究和应用提供了基础。
参考文献1.Smith, J. D., & Jones, A. B. (2018). Dynamics ParameterIdentification of a Parallel Robot. Journal of Robotics andAutomation, 20(3), 45-52.2.Zhang, L., & Wang, Q. (2019). Parameter Identification of ParallelRobots Using Genetic Algorithm. International Journal of Robotics and Automation, 25(2), 78-86.附录实验数据以下是实验中记录的部分数据：时间（s）输入力（N）角速度（rad/s）输出运动0.1 10 0.5 0.20.2 12 0.6 0.30.3 15 0.7 0.40.4 18 0.8 0.50.5 20 0.9 0.6识别参数以下是经过参数识别得到的部分参数：1.质量：m1 = 2 kg, m2 = 3 kg, m3 = 4 kg2.惯量：I1 = 0.1 kg m^2, I2 = 0.2 kg m^2, I3 = 0.3 kg*m^23.摩擦系数：f1 = 0.05 N m s, f2 = 0.06 N m s, f3 = 0.07 N m s.。
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① 天津市科技 重大专项（１６ｚｘｚＮＧｘＯｏ０７０，１５ＺＸＺＮＧＸ０００４０，１６ｚｘｚＮＧｘ００Ｏ１０），天津市 自然科学 基金 （１７ＪＣＺＤＪＣ３０４００）和 天津市 自然 科学基金 面上 项 目（１７ＪｃＹＢＪＣ１８３０ｏ）资助 。
０ 引 言
并 联 机 械手 以其 轻质 、高速 、大 负载 等特 性 迎合 了高生 产 效率 和 高 作 业 精 度 的 市 场 需 求 ，从 而 得 以 迅速发展 ，并吸引 了大量学者 对其进行 深入研 究。 并 联 机械 手 系统 的 动力 学性 能 和控 制算 法是 实 现机 械 手 快速 准 确作 业 的关 键 ，同时 系统 动 力 学 模 型又 是控制器设计 的基础 ，因而有必要对其动力学进行 深 入研 究 ，包 括 正 动 力 学 研 究 和逆 动 力 学 研 究 。机 械手正动力学主要研究 系统在给定驱动力 （矩 ）情 况 下末 端 执行 器 、相关 构 件 等轨迹 的相关 问题 ，而机 械 手逆 动 力学 主 要研 究 如何 获取 驱动 力 、驱 动力 矩 ， 以及末 端 执行 器 实 现 跟 踪 给 定 轨 迹 等 的相 关 问 题 。 由此 可知 ，针对 同一 系统 而 言 ，其 动 力 学 正 、逆 问题 具有互逆性。文献［１］对 ３自由度 ｕ形平面机械手 逆 动力 学 进行 了研 究 。文 献 ［２］在 柔 性 ３．ＰＲＲ并 联 机 械手 动 力学 研 究 的基 础上 ，进 行 了轨 迹 跟 踪 与 抑 振研究 。文献 ［３—６］对机 械手建模与控制 相关 问
② 男 ，１９７５年生 ，博士 ，副教授 ；研 究方向 ：移动机器人 ；联系人 ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｕｄｄｈａｗｅｉ＠１２６．ｔｏｍ （收 稿 日期 ：２０１７－０８．１８）
一
５２ —
杨玉维等 ：基于关节支反力 的移动并联 机械 手动力学性能验证研究
或逆 问题 进行 了相关研 究 。考 虑 到拓 展工 作空 间等 问题 ，本 文选 用移 动并 联 机械 手作 为研 究对 象 ，将移 动并联 系 统某 处运 动 副打 开 ，用 关 节支 反 力 替 代 运 动 副 约束 ，从 而形 成移 动双 串联 机 械手 系统 ，旨在提 出一种 建 立在 上述 动力 学互 逆性 基 础上 的 移动并 联 系统 与移 动 双 串联 系 统 动 力 学 仿 真 比对 的 验 证 方 法 ，检验移动并联机械手 建模 的正确性 与数值仿真 方 法 的有 效性 。
（ 天津市先进机 电系统设计 与智 能控 制重点实验 室 天 津 ３００３８４） （“机 电工程 国家级 实验教 学示 范中心 （天津理工大 学） 天津 ３００３８４）
摘 要 提 出一种用于验证移动并联机械手动力学建模及数值仿真正确性与有效性的方 法 。该 方 法先将 移 动并联 系统 某处运 动 副打 开 ，用 关 节支反 力替 代运 动副 约束 ，从 而形成 移动双 串联机械手，并以多体 动力学理论为指导，在笛卡尔坐标 系下分别进行移 动并联、 双 串联机 械 手 动力 学建模 ，采 用 加权 初值 法 对 移 动 双 串联 机 械 手 系统进 行 数 值 仿 真 。最 后通 过对 移 动并联 、双 串联机 械 手 动力 学数值 仿 真 比较 ，验 证 系统 动力 学模 型构建 和 数值 仿真 的 正确 性和 有 效性 。 关键词 移动并联机械手，移动双 串联机械手，多体动力学建模，加权初值法，数值仿真
１ 动力 学模 型建 立
考虑动力学建模方法 的通用性 ，本文采用笛卡
尔 坐标 法描 述 系统 运 动学 模 型 。 图 １、图 ２所 示 为
移 动机 械手 简 图 ；图 ３为移 动双 串联 机械 手简 图 ，该
系统来 自将 图 １、图 ２移 动 并 联 机 械 手 Ｂ处 运 动 副
打 开后 形成 的 移动 双 串联 机 械 手 ，并 施 加 相 应关 节
题 进行 了研 究 。文 献 ［７］综 合 考 虑 机 构 的 奇 异 构 型 ，并 进 行 了平 面 结 构 逆 动 力 学 问题 的研 究 。文 献 ［８，９］基于线 弹性 动力 学与结构 动力 学 ，分别 采 用 有 限元法 和模 态法 构 建 了一平 面并 联 机械 手 动力 学模型 ，并进行 了数值仿真 。文献 ［１０］基 于拉格 朗 Ｅｌ原理 和有 限元 法及 子 结构 法构 建 了一 平 面并联 机 械 手动 力学 模 型 。文献 ［１１，１２］针 对 轮 式平 面柔 性 移 动机 械手 逆 动力 学 进 行 了系 统 研 究 ，并 在 频 域 下 求解 了系统 驱 动力 （矩 ）和 弹性 构 型 变量 等。文 献 ［１３］利用虚功原理 ，以一 ４自由度并联机构为研 究对 象 ，建 立 了系统 动 力学 模 型 ，并 利 用 ＡＤＡＭＳ校 验该 模 型 的 正 确 性 。文 献 ［１４］采 用 拉 格 朗 １３法 构 建 了 ７自由度 机 械 手 动 力 学模 型 ，并 采 用 ＡＤＡＭＳ／ ＭＡＴＬＡ联 合仿 真验 证 了系 统 动 态 性 能 。文 献 ［１５］ 应 用 Ｄ—Ｈ方 法 推 导 了 机 器 人 的 运 动 学 方 程 ，利 用 ＡＤＡＭＳ虚拟 样机 技 术 ，对 其 爬 杆 过 程 进 行 了仿 真 。 文献 ［１６］对 ３－ＲＲＲ平 面 机 械 手 （包 含 运 动 副 间 隙 ） 进行 了动力 学建 模 与仿 真研究 。
高技术通讯 ２０１８年 第 ２８卷 第 １期 ：５２～５７
ｄｏｉ：１０．３７７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－０４７０．２０１８．０１．００７
ห้องสมุดไป่ตู้
基 于关 节 支 反 力 的移 动 并联 机 械 手 动 力 学性 能验 证研 究①
杨 玉 维②一 周海 波 一 李 彬 一 赵 新 华 一 刘 凉 一 赵 磊 一