轮式悬架移动柔性机械手动力学建模分析与仿真

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轮式移动机械手在工业、农业、反恐防爆、家庭、空间探测等领域都有广泛应用,随着航空航天技术的发展,柔性机械手系统的动力学建模分析与控制方法研究正变得越来越重要。本文在国家自然科学基金“多重柔性下轮式悬架移动机械手动力学建模与精确作业控制方法研究”(61075097)和河北省自然基金“轮式移动机器人动态精确作业控制方法研究”(E2010000049)以及国家863计划“核反应堆专用机器人技术与应用”(2011AA040201)的支持下,以在不平整地面上运动的轮式悬架移动机械手——HEBUTⅡ型机器人为研究对象,考虑轮式悬架移动平台的悬架的柔性和机械手的柔性变形,深入研究三杆柔性机械手系统的动力学模型,对其进行建模分析并进行数值仿真,并通过模糊PID控制策略,初步建立了轮式悬架移动单杆柔性机械手的控制模型,并对该模型进行仿真,为后续的轮式悬架移动机械手的控制方法的深入研究奠定了基础。本文的创新工作如下:1.基于矢量法和模态法,对三杆柔性机械手动力学建模进行了研究,使用割线法建立机械手浮动坐标系,减少了定义机械手末端位姿所需的变量数目,简化了末端位姿的矢量表述,建立了机械手系统的动力学模型,并基于同样方法尝试建立了多杆柔性机械手动力学模型。2.以弹簧的弹性势能代替机械手柔性变形产生的弹性势能,提出了基于等效弹簧刚体的单杆柔性机械手新模型,建立了单杆柔性机械手的新动力学模型。以基于等效弹簧模型的各刚体构件旋转角度组成了新动力学模型的独立坐标变量,通过调整模型中弹簧的弹性系数和构件结构,实现了柔性机械手末端轨迹与机械手实际末端轨迹基本重合的目的。基于新模型的单杆柔性机械手动力学模型的仿真结果与刚性机械手的仿真结果进行了对比,验证了新模型的可行性。3.将轮式悬架移动单杆柔性机械手视为整体进行控制方法研究。首先在建立轮式悬架移动单杆柔性机械手的动力学模型时引入了悬架和机械手柔性,其次将移动机械手系统作为整体研究其控制方法,改变了传统控制研究中车体控制和机械手控制分别进行的惯例。最后的仿真结果直观地显示了模糊PID控制是较为适宜轮式悬架移动单杆柔性机械手的控制方法。
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