轻型机器人动力建模及初步研究

论文总字数：23673字

摘 要

近年来，随着工业机器人的发展，机器人操作臂广泛地应用于工业生产的不同领域。机器人操作臂是复杂的动力学系统，由多个连杆和关节组成，并且具有多个输入和输出，存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性。机器人仿真系统作为机器人设计和研究中安全可靠、灵活方便的工具越来越受到重视。目前，机器人动力学研究的主要方法有拉格朗日法、牛顿－欧拉法和凯恩方法等。本研究根据七自由度机械臂执行器的动态建模，及一个配有半主动摩擦阻尼器的串联弹性致动器，称为可变物理阻尼执行器（VPDA），并将该模型扩展到多自由度情况。基于分析模型，设计了一种控制策略来调节离合器法向力，以使系统动力学与任务要求相适应，使系统在需要精确运动时“僵硬”，并且在需要系统灵活性的情况下利用致动器的被动符合性使其“软”下来。用拉格朗日法对七自由度机器人动力学进行分析，得到了各关节的力矩方程。并基于Asams软件对机器人进行仿真分析，得到力矩的变化曲线，验证理论模型的正确性。最后，进行臂的模拟以验证所提出的控制方案的有效性。

关键字:电机原理，动力建模，adams

Abstract

In recent years, with the development of industrial robots, robot arm is widely used in different areas of industrial production. The robot arm is a complex dynamic system consisting of multiple links and joints, and has multiple inputs and outputs, with complex coupling relationships and severe non-linearity. Robot simulation system as a robot design and research in a safe, reliable, flexible and convenient tools more and more attention. At present, the main methods of robot dynamics research are Lagrange method, Newton-Euler method and Kane method. This study is based on the dynamic modeling of seven-degree-of-freedom manipulator and a semi-active friction damper is a variable physical damping actuator (VPDA) and extends the model to multiple degrees of freedom. Based on the analysis model, a control strategy is designed to adjust the clutch normal force to adapt the system dynamics to the task requirements; to make the system "stiff" when it needs to be precisely motivated and to use it in the case of system flexibility The passive compliance of the actuator makes it "soft". The Lagrange method is used to analyze the dynamics of seven degrees of freedom robot, and the moment equation of each joint is obtained. Based on ADAMS software, the simulation analysis of the robot is carried out, and the change curve of the torque is obtained to verify the correctness of the theoretical model. Finally, arm simulation is performed to verify the effectiveness of the proposed control scheme.

Key words: Principle of motor, dynamic modeling，ADAMS

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 动力学系统建模 1

1.2 轻型机器人 1

第二章 同步电机 2

2.1 同步电机的运行原理 2

2.2 同步电机的额定值及标值的基值 2

2.3 电机扭矩计算公式 2

2.4 牛顿-欧拉方程 3

2.4.1 单质点角动量定理 4

2.4.2 刚体的角动量定理 4

2.4.3 欧拉方程的证明 5

第三章 外啮合渐开线直齿圆柱体齿轮传动 6

3.1 启动ADAMS 6

3.2 设置工作环境 6

3.3创建齿轮 7

3.4创建旋转副、齿轮副、旋转驱动 9

3.5 仿真模型 12

第四章 七自由度机械臂的动态建模和适应性控制 14

4.1 介绍 14

4.2 系统建模 14

4.3 控制 16

4.4 模拟结果 17

4.5操纵器规格 21

4.6操纵器组装和动力学 21

4.7实验结果 22

参考文献 24

致谢 25

1. 绪论

动力学系统建模

动力学系统建模是现在针对于复杂结构机器人主要应用的一种方法，通过将几何模型转变为物理模型，再进而转变为数学模型，通过对其中的各个物理量，约束量之间的关系，解析处机器人在静止时与运动时各关节的受力情况，以及是否存在运动干扰等。

动力学建模的方法有很多，牛顿-欧拉方程，拉格朗日方程等都是常用的建模方法。针对于运动学建模，我会选择拉格朗日方程建模方法，因为我们所研究的机械臂是七个自由度的机械臂，需要建立多个广义坐标系。拉格朗日方程正是从这个观点出发，通过广义坐标系去将每个关节与臂的物理模型变为数学模型，进而对得到的数学模型进行解析，得出最后的结论，能间接的反映出机械部的运动过程中是否存在交互运动，造成机械臂自身的干扰没验证理论上的合理性。

动力学方程选择牛顿-欧拉方程进行建立。因为机械臂自身受到力的约束与控制，并且通过位移、速度、加速度等物理量来体现。所以通过牛顿-欧拉方程建立七自由度机械臂的动力数学模型最为恰当。

轻型机器人

本文研究的轻型机器人针对七自由度的机械臂，在现在机器人中发展算得上是主要发展对象。七自由度机械臂，是一种具有七个自由度（DOF）的轻量级机械手，它是基于人臂运动的原理设计的，并由具有集成无源柔性和内在可变物理阻尼的执行器驱动。七自由度机器人操作臂是复杂的动力学系统，由七个连杆和七个关节组成，并且具有多个输入和输出。存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性。机器人仿真系统作为机器人设计和研究中安全可靠、灵活方便的工具越来越受到重视。目前，机器人动力学研究的主要方法有拉格朗日法、牛顿－欧拉法和凯恩方法等。

文章先从运动学证明机器人的构造是理论可行的，避免了由于设计时忽略的微小环境变化以及摩擦力的存在等可能会干扰机器人运行的因素。再进行运动学建模，证明了关节的运动范围不会造成机器人本身的物理碰撞与摩擦。

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