多关节混合链机器人的运动学和动力学分析

机器人运动学与动力学参数辨识

机器人运动学与动力学参数辨识机器人在现代工业中起着至关重要的作用，在许多领域被广泛应用。

而要使机器人能够精准地执行任务，需要对其运动学和动力学参数进行准确辨识。

机器人的运动学和动力学参数是描述机器人运动和力学特性的重要参数。

运动学参数主要包括位姿参数（如机器人的坐标和角度等），而动力学参数则包括质量、惯性矩阵和摩擦力等。

机器人运动学的研究主要关注机器人的位姿和轨迹，通过定义机器人的坐标系和关节坐标来描述机器人的运动状态。

机器人动力学则关注机器人在运动过程中的力学特性，如力、力矩和速度等。

机器人的运动学和动力学参数辨识旨在精确地确定机器人的参数，进而提高机器人的运动和控制性能。

机器人运动学和动力学参数辨识的方法可以分为基于物理模型和非基于物理模型的方法。

基于物理模型的方法主要是通过解析机器人的数学方程来确定参数，比较常用的方法有最小二乘法和最大似然法。

而非基于物理模型的方法则是通过实验数据的采集和处理来辨识参数，这种方法需要较大的样本量和数据处理能力。

在机器人运动学参数辨识中，最小二乘法是一种常用的方法。

该方法通过最小化误差平方和来估计机器人的参数。

具体步骤是先设置参数初值，然后通过运动学模型计算机器人的位姿，最后通过误差函数的最小化来求解参数，使得计算结果与实际观测值之间的差异最小。

机器人动力学参数的辨识相对较为复杂，通常需要通过实验数据和逆动力学模型来进行。

逆动力学模型是根据机器人运动学和动力学方程推导得到的，可以通过遗传算法、神经网络等方法来优化参数，从而准确地描述机器人的力学性能。

除了基于物理模型和非基于物理模型的方法外，还有一些其他方法可用于机器人运动学和动力学参数的辨识。

例如，基于惯性传感器的方法可以通过测量机器人的加速度和角速度来辨识参数，这种方法可以克服物理模型误差和噪声对参数辨识的影响。

总之，机器人运动学和动力学参数的辨识对于机器人的精确控制和运动能力至关重要。

通过准确辨识机器人的参数，可以提高机器人的精度、稳定性和可靠性，进而推动机器人技术的发展和应用。

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计运动学是研究物体运动规律和几何变化规律的学科，而机械臂则是一种由多个关节连接而成的机械系统，用于模拟人类手臂的运动。

基于运动学分析的多关节机械臂优化设计，是通过分析机械臂的运动学特性，来改进设计方案以提高其性能和工作效率。

一、运动学分析在多关节机械臂设计中的重要性运动学分析在多关节机械臂设计中起着关键的作用。

它可以帮助设计者更好地理解机械臂在不同关节角度下的运动规律，并进而优化设计方案。

通过运动学分析，设计者可以确定机械臂在给定关节角度下的末端位置和姿态，进而计算出机械臂的工作空间以及姿态限制。

二、基于运动学分析的多关节机械臂设计的基本原理基于运动学分析的多关节机械臂设计的基本原理是通过关节角度的变化，控制机械臂末端的位置和姿态。

这里的关节角度是指机械臂各个关节相对于参考坐标系的角度。

通过对关节角度的控制，可以使得机械臂末端能够达到所需的位置和姿态。

三、优化设计的目标和方法在多关节机械臂设计中，优化设计的目标主要是提高机械臂的性能和工作效率。

优化的方法可以分为两个方面来考虑，一是通过优化机械结构参数，改变关节的长度、连杆的长度等来提高机械臂的稳定性和负载能力；二是通过优化运动规划算法，使得机械臂在工作中具有更高的精度和速度。

四、基于运动学分析的多关节机械臂的应用基于运动学分析的多关节机械臂在现代工业中有着广泛的应用。

它可以用于工业生产线的自动化操作，如物料搬运、焊接、装配等。

此外，它还可以用于医疗领域的手术机器人系统，如腹腔镜手术、神经外科手术等。

运动学分析可以帮助设计师更好地控制机械臂的运动轨迹，使得手术操作更加精确和安全。

五、基于运动学分析的多关节机械臂设计的挑战和未来发展虽然基于运动学分析的多关节机械臂设计已经取得了很大的进展，但还存在一些挑战。

首先，机械结构的优化需要综合考虑多个因素，如负载、精度和速度等。

其次，运动规划算法的优化也需要不断地完善与提高。

六自由度并联机器人运动学、动力学与主动振动控制

振动控制概述
01
02
03
振动危害
机械系统中的振动可能导致设备损坏、工作效率降低以及安全隐患。
振动控制方法
主动振动控制、被动振动控制和半主动振动控制。
主动振动控制优势
能够实时监测和抑制机械振动，提高设备性能和安全性。
主动振动控制策略
基于模型的主动振动控制
01
利用系统模型进行预测和控制。
基于数据的主动振动控制
医疗应用
在医疗领域，六自由度并联机器人可以用于微创手术和精确的定位，提高手术的准确性和效率。
3
农业应用
农业领域可以利用六自由度并联机器人进行自动化采摘、分拣等作业，提高生产效率并降低人力成本。
发展与展望
技术创新
随着机器人技术的不断发展，六自由度并联机器人的性能和稳定性将得到进一步提升，同时将涌现出更多的应用场景。
结构设计
六自由度并联机器人的结构设计对其性能具有重要影响，因此需要开展深入的研究以提高机器人的刚度、精度和稳定性。
主动振动控制
在高速运动过程中，六自由度并联机器人容易产生振动，需要进行主动振动控制研究以减小振动对机器人性能的影响。
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THANKS
六自由度并联机器人实验平台与实验研究
实验平台介绍
硬件组成
由6个伺服电机、6个旋转关节、1个移动关节、1个机身和1
个控制箱组成。
软件系统
采用PC+运动控制卡的模式，使用自主开发的软件进行实时控制。
实验场地
机器人在实验台上进行实验，环境条件稳定。
运动学实验研究
逆运动学
通过给定目标位姿，求解关节角度。
六自由度并联机器人运动学、动力学与主动振动控制

机器人学第六章(机器人运动学及动力学)

第六章机器人运动学及动力学6.1 引论到现在为止我们对操作机的研究集中在仅考虑动力学上。

我们研究了静力位置、静力和速度，但我们从未考虑过产生运动所需的力。

本章中我们考虑操作机的运动方程式——由于促动器所施加的扭矩或作用在机械手上的外力所产生的操作机的运动之情况。

机构动力学是一个已经写出很多专著的领域。

的确，人们可以花费以年计的时间来研究这个领域。

显然，我们不可能包括它所应有的完整的内容。

但是，某种动力学问题的方程式似乎特别适合于操作机的应用。

特别是，那种能利用操作机的串联链性质的方法是我们研究的天然候选者。

有两个与操作机动力学有关的问题我们打算去解决。

向前的动力学问题是计算在施加一组关节扭矩时机构将怎样运动。

也就是，已知扭矩矢量τ，计算产生的操作机的运动Θ、Θ和Θ。

这个对操作机仿真有用，在逆运动学问题中，我们已知轨迹点Θ、Θ和Θ，我们欲求出所需要的关节扭矩矢量τ。

这种形式的动力学对操作机的控制问题有用。

6.2 刚体的加速度现在我们把对刚体运动的分析推广到加速度的情况。

在任一瞬时，线速度矢量和角速度矢量的导数分别称为线加速度和角加速度。

即BB Q Q BBQ Q 0V ()V ()d V V lim dt t t t t t∆→+∆-==∆ （6-1）和AA Q Q AAQ Q 0()()d lim dt t t t t t∆→Ω+∆-ΩΩ=Ω=∆ （6-2）正如速度的情况一样，当求导的参坐标架被理解为某个宇宙标架{}U 时我们将用下面的记号U A AORG V V = （6-3）和U A A ω=Ω （6-4）6.2.1 线加速度我们从描述当原点重合时从坐标架{}A 看到的矢量BQ 的速度AA B A A Q B Q B B V V BR R Q =+Ω⨯ （6-5）这个方程的左手边描述AQ 如何随时间而变化。

所以，因为原点是重合的，我们可以重写（6-5）为A AB A A B B Q B B d ()V dtB B R Q R R Q =+Ω⨯ （6-6）这种形式的方程式当推导对应的加速度方程时特别有用。

第03章机器人的运动学和动力学

教案首页课程名称农业机器人任课教师李玉柱第3章机器人运动学和动力学计划学时 3教学目的和要求：1.概述，齐次坐标与动系位姿矩阵，了解平移和旋转的齐次变换；2.机器人的运动学方程的建立与求解*；3.机器人的动力学*重点：1.机器人操作机运动学方程的建立及求解；2.工业机器人运动学方程3.机器人动力学难点：1. 机器人动力学方程及雅可比矩阵基本原理思考题：1.简述齐次坐标与动系位姿矩阵基本原理。

2.连杆参数及连杆坐标系如何建立？3.机器人动力学方程及雅可比矩阵基本原理是什么？第3章机器人运动学和动力学教学主要内容：3.2 齐次坐标与动系位姿矩阵3.3 齐次变换3.4 机器操作机运动学方程的建立与求解3.5 机器人运动学方程3.6 机器人动力学本章将主要讨论机器人运动学和动力学基本问题。

先后引入了齐次坐标与动系位姿矩阵、齐次变换，通过对机器人的位姿分析，介绍了机器人运动学方程；在此基础上有对机器人运动学方程进行了较为深入的探讨。

3.1 概述机器人，尤其是关节型机器人最有代表性。

关节型机器人实质上是由一系列关节连接而成的空间连杆开式链机构，要研究关节型机器人，必须对运动学和动力学知识有一个基本的了解。

分析机器人连杆的位置和姿态与关节角之间的关系，理论称为运动学，而研究机器人运动和受力之间的关系的理论则是动力学。

3.2 齐次坐标与动系位姿矩阵3.2.1 点的位置描述在关节型机器人的位姿控制中，首先要精确描述各连杆的位置。

为此，先定义一个固定的坐标系，其原点为机器人处于初始状态的正下方地面上的那个点，如图3-1（a）所示。

记该坐标系为世界坐标系。

在选定的直角坐标系{A}中，空间任一点P的位置可以用3×1的位置向量A P表示，其左上标表示选定的坐标系{A}，此时有A P=XYZ P P P ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦式中：P X、P Y、P Z—点P在坐标系{A}中的三个位置坐标分量，如图3-1（b）。

3.2.2 齐次坐标将一个n维空间的点用n+1维坐标表示，则该n+1维坐标即为n维坐标的齐次坐标．．．．。

机器人的动力学

机器人的动力学是研究机器人运动和力学特性的学科。

它涉及了描述机器人运动、力和力矩之间关系的原理和方法。

机器人动力学的主要内容包括以下几个方面：
运动学：机器人运动学研究机器人的位置、速度和加速度之间的关系。

它涉及描述机器人末端执行器（如机械臂）的位姿和运动轨迹，以及描述机器人关节的运动参数。

动力学：机器人动力学研究机器人在外部作用力或力矩下的运动行为。

它涉及描述机器人的质量、惯性、力和力矩之间的关系，以及机器人的运动响应和稳定性。

控制：机器人动力学与机器人控制密切相关。

动力学模型可以用于设计机器人控制算法，以实现所需的运动、力量和精度。

力觉传感：机器人动力学可以应用于力觉传感技术。

力觉传感器可以用于测量机器人末端执行器的外部力和力矩，以实现机器人与环境的交互、力量控制和安全操作。

动力学模拟和仿真：动力学模型可以用于机器人动力学的模拟和仿真。

通过在计算机中建立机器人动力学模型，可以预测机器人在特定任务和环境中的运动行为和性能。

机器人动力学的研究对于机器人设计、控制和运动规划等方面都具有重要意义。

它可以帮助优化机器人的运动性能、提高机器人的精度和效率，并为机器人在各种应用领域中的安全操作和协作提供基础。

4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

４－ＤＯＦ混联机器人多能域动力学全解模型及试验木
李永泉，２单张兵，２王立捷，２张立杰２，。
（１．燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛０６６００４：０６６００４；０６６００４）２．先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室（燕山大学）秦皇岛３．燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛
ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｏｉｎｈｕａｎｇｄａｏ０６６００４；
２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＦｏｒｇｉｎｇ＆ＳｔａｍｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）．
第５３卷第２３期
２０１７年１２月
机
械
工
程
学
报
Ｖｏ１．５３ＮＯ．２３
Ｄｅｃ．
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
２０１７
ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２０１７．２３．０９２
ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｏｉｎｈｕａｎｇｄａｏ０６６００４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：４－ＤＯＦｈｙｂｒｉｄｒｏｂｏｔｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ．Ｆｉｒｓｔｌｙｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｈｙｂｉｒｄｒｏｂｏｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｒｉｖｉｎｇ（ｍｏｔｏｒａｎｄｐｎｅｕｍａｔｉｃｐａｒｔｓ）ｂｏｎｄｇｒａｐｈｍｏｄｅｌｈａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂｏｎｄｇｒａｐｈ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃｓ

机器人机构分析与综合课件：3_2_2 机器人动力学

和
式中，和N是绕z轴回转的角加速度和转矩。将它们代入前面的方程，得：
令
，则有：
上式为质点绕固定轴回转时的运动方程式。I相当于平移运动时的质量，称为转动惯量。
例：求图所示的质量为M，长度为L的匀质杆绕其一端回转时的转动惯量I。
解：匀质杆的微段dx的质量用线密度ρ（=M/L）表示为 dm=ρdx 。
该微段产生的转动惯量为
。
因此，把dI在长度方向上积分，可得该杆的转动惯量I为：
例：试求上例中杆绕其重心回转时的转动惯量IC。解：先就杆的一半来求解，然后加倍即可。假定x为离杆中心的距离，则得到
设刚体对过质心C的Zc轴的转动惯量为IZC，对与Zc轴平行的 Z轴的转动惯量为IZ，该两轴间的距离为d，刚体的质量为M，则
M0n
M12
M 23 M i1i
Mn1n
M121
M
1 01
M0n
M 23
M 34 M i1i M n1n
3.2 运动学方程的建立
解：（1）运动学方程
c、相邻杆件位姿矩阵
M01 Trans(0,0,800) Rot(z,1 ) Trans(400,0,0)
c1 s1 0 0 1 0 0 400
正解特征：唯一性。用处：检验、校准机器人。
3.2 运动学方程的建立
（2）运动学方程的逆解逆问题：已知手在空间的位姿M0h，求关节变量qi的值。逆解特征分三种情况：多解、唯一解、无解。多解的选择原则：最近原则。计算方法：递推逆变换法，即
M0n M01 M12 Mi1i Mn1n
M
1 01
M ij
n
y
nz 0
oy oz 0
ay az 0

机器人机械手臂运动学与动力学分析

机器人机械手臂运动学与动力学分析1.引言随着科技的不断进步，机器人技术已经广泛应用于生产制造、医疗卫生、军事防务等领域。

机器人的机械手臂是其重要组成部分，通过其灵活的运动能力，使机器人能够执行各种任务。

在机械手臂的设计和控制中，运动学和动力学是两个重要的方面。

本文将对机械手臂的运动学和动力学进行深入分析。

2.机械手臂的运动学机械手臂的运动学研究机器人手臂的位置和运动方式。

运动学分析通常包括正、逆运动学两个方面。

2.1 正运动学正运动学研究机器人手臂的运动学模型与其关节角度之间的关系。

对于n自由度的机械手臂，可以通过构建齐次变换矩阵的方法，将末端执行器的位置和姿态与关节角度联系起来。

2.2 逆运动学逆运动学研究机械手臂如何通过末端执行器的位置和姿态来确定关节角度。

逆运动学问题通常是非线性的，并且存在多解性。

通过使用几何方法、代数方法或数值方法，可以求解机械手臂的逆运动学问题。

3.机械手臂的动力学机械手臂的动力学研究机器人手臂受力和加速度之间的关系。

动力学分析可以帮助我们理解机械手臂的受力情况，为控制和优化机械手臂的运动提供基础。

3.1 机械手臂的运动方程机器人手臂的运动方程是描述手臂在特定坐标系下的加速度与外部力之间关系的方程。

通过运动方程，可以推导出机械手臂的动力学模型。

3.2 动力学优化动力学优化是基于机械手臂的动力学模型，通过优化算法来最小化手臂的能耗、提高执行效率或实现更加精确的运动。

通过对机械手臂的动力学特性进行深入分析，可以找到最佳的控制策略和参数设置。

4.机械手臂运动学与动力学的应用机器人机械手臂的运动学和动力学分析在实际应用中具有重要意义。

4.1 生产制造领域在生产制造领域，机械手臂的运动学和动力学分析可以帮助优化生产线的布局和工艺流程。

通过合理设计机械手臂的运动轨迹和力矩分配，可以实现高效率和高精度的自动化生产。

4.2 医疗卫生领域机械手臂在医疗卫生领域的应用越来越广泛，例如辅助手术机器人。

机器人技术中的运动学和动力学模型

机器人技术中的运动学和动力学模型随着科技的发展，机器人技术在各个领域不断得到应用和推广，尤其在工业自动化、医疗保健、军事装备等领域中起到了重要的作用。

而机器人的运动学和动力学模型作为机器人控制的基础，也越来越受到研究和关注。

一、运动学模型机器人的运动学模型主要研究机器人的运动规律、位置、速度、加速度等量，以及机器人运动过程中的位姿变换。

运动学模型可分为正向运动学和逆向运动学两种。

1. 正向运动学正向运动学是指已知机器人每个关节的角度，推导出机器人末端执行器的位置和朝向的方法。

正向运动学模型主要涉及到机器人坐标系和运动学代数，其中最核心的是DH参数求解方法。

DH参数是一种描述机器人关节和连杆长度、连杆间角度的方法，通过求解DH参数即可推导出机器人的正向运动学。

2. 逆向运动学逆向运动学是指已知机器人末端执行器的位置和朝向，推导出每个关节的角度的方法。

逆向运动学涉及到三角函数、矩阵计算、求解非线性方程等数学方法，相比正向运动学更加复杂。

逆向运动学有两种解法，一种是解析解法，即通过代数方法直接求解；另一种是数值解法，即通过迭代算法逼近解。

二、动力学模型机器人的动力学模型主要研究机器人关节力矩和末端执行器扭矩之间的关系，以及机器人运动过程中的动量、力矩等物理量。

动力学模型可分为正向动力学和逆向动力学两种。

1. 正向动力学正向动力学是指已知机器人关节力矩和末端执行器的扭矩，推导出机器人的加速度和力矩的方法。

正向动力学模型主要涉及到机器人运动学、多体动力学、牛顿欧拉法等知识，通过这些方法可以推导出机器人正向动力学方程，从而对机器人的力学性能有一定的分析和预测。

2. 逆向动力学逆向动力学是指已知机器人的加速度和末端执行器的力矩，推导出机器人关节力矩的方法。

逆向动力学模型主要涉及到拉格朗日动力学、最小二乘法等知识，比正向动力学更加复杂，常用的解法是数值解法。

三、应用领域机器人的运动学和动力学模型在机器人控制、路径规划、动态仿真和优化设计等方面得到广泛应用。