機器人動力學

機器人動力學是對機器人機構的力和運動之間關係與平衡進行研究的學科。機器人動力學是複雜的動力學系統，對處理物體的動態回響取決於機器人動力學模型和控制算，主要研究動力學正問題和動力學逆問題兩個方面，需要採用嚴密的系統方法來分析機器人動力學特性。

基本介紹

• 中文名：機器人動力學
• 外文名：dynamics robot
• 類屬：動力學系統
• 分析方法：等效單元替代
• 類別：柔性、並聯、剛性等
• 發展方向：柔性化、軟性化、可變化、等

研究背景

機器人動力學的研究是所有類型機器人發展過程中不可逾越的環節，也是形成機器人終極產品性能評價指標與重要的科學依據。以往機器人的發展已經表明，多體系統動力學是機器人研發中不可或缺的基礎力學理論。隨著新型傳動與驅動機構以及智慧型與軟物質材料的出現，可以預計柔性化、軟性化、可變化、微型化和控制智慧型化將成為未來機器人發展的重要方向，使機器人的各種作動更接近生物體的仿生體，因此，以仿生為主要特徵的剛柔耦合、柔軟體和變形機器人對任務和環境的適應性強，其快速發展在一定程度上將促進機器人研究的步伐，同時，這種趨勢和需求也將會使得機器人動力學和控制研究面臨重大挑戰。

現代機械向高速、精密、重載方向發展，機構動力學問題顯得特別重要，已經成為直接影響機械產品性能的關鍵問題。機構及機器人動力學領域的重點研究方向主要包括：柔性機構動力學、柔性機器人動力學、柔順機構動力學、並在線上器人動力學和含間隙機構動力學等。

分析方法

隨著機器人技術的不斷發展，國內外學者在機器人動力學建模方法已做了大量的研究工作，一般主要採用4×4齊次變換矩陣和3×3旋轉變換矩陣，從機器人各桿的位置入手，套用某種力學原理，得出機器人動力學模型。其中Lagrange方法是常用的方法之一，然而對複雜的多自由度機器人機構來說，建立並求解相應的Lagrange方程並非易事，建立部件或系統的運動方程時，有許多計算機無法代替的、繁雜的人工計算工作，費時費力且容易出錯。機器人動力學模型直接關係到機器人控制、動態特性和動力最佳化等問題的研究，一個好的動力學模型不僅要求推導方便，結構形式簡單，便於理論分析，而且要程式化強，便於計算機編程和計算。

目前分析方法的主要思想是用等效單元來代替系統中的真實部件，用等效單元組成的等效系統代替真實運動系統。等效單元的運動微分方程的表達形式規範統一，等效系統的運動方程的組裝簡單方便，使人工分析計算量大大減少，適於計算機編程。最後，套用於2-DOF平面並在線上器人機構的動力學建模，通過和ADAMS仿真結果進行比較，為其他複雜機器人機構的動力學分析提供了一種新的建模手段。

柔性機器人動力學

在彈性及柔性機構動力學發展的基礎上，與之相關的柔性機器人動力學領域也得到了較大的發展，從機器人機構的角度看，其發展狀況與柔性機構有相似之處。雖然人們從控制角度提出了多種方法來對構件柔性變形所帶來的運動學及動力學問題從機器人外部進行了補償，使該問題得到一定程度的解決，但對於機器人主體的柔性機構內在品質卻沒有得到改善，使得機器人的整體性能難以真正提高。

因此，從機器人機構研究的角度出發，應在改善其機械結構和特性方面進行深入研究，充分利用機構冗餘度、結構柔性等機械特性，在冗餘驅動、欠驅動等方面想辦法，從多部展冗餘度柔性機器人、欠驅動柔性機器人、柔性機器人協調操作和冗餘度柔性機器人協調操作等交叉領域的研究，同時，與先進的控制方法相結合，從機器人的內部特性和外部手段兩方面入手，綜合提高機器人的整體動力學性能。

並在線上器人動力學

概述

並在線上器人是機器人學及機構學領域多年來的熱門研究課題，目前，在並在線上器人結構設計及運動學分析方面國內外都己取得大量成果，但在並在線上器人動力學方面的工作卻很少，只有一些初步成果。如果想要提高並在線上器人的工作能力，特別是動剛度和精度，就必須從其動力學這一根本問題上下工夫。可以說，並在線上器人能否在加工工具機、重型及精密操作等場合得到很好的套用，最終是取決於動力學這一關鍵問題的解決程度。在此領域中，系統建立並在線上器人動力學模型和分析方法、全面認識其動力特性、從而改善和提高其性能、最終設計出具有良好動力學品質的並在線上器人，在這一系列研究課題中還有許多工作要做。同時，如能考慮並在線上器人中部件的變形，與柔性機器人結合起來，還可以開發出柔性並在線上器人這一新的研究方向，這對進一步提高機器人性能、擴展機器人研究領域都是具有積極作用的。

並在線上器人屬於空間多環機構，由於並聯結構不存在累計誤差而具有高精度，所承受的載荷由各個分支分擔而具有高承載能力、較大的剮度，而且具有結構簡單，重量輕等特點，近些年來已經引起國內外學者的廣泛關注。

動力學與控制

與大量的運動學文獻相比, 關於動力學的文獻相對要少得多。

早期進行動力學的討論是Fichter 和Merlet, 在忽略連桿的慣性和關節的摩擦後, 得出了Stewart 機器人的動力學方程Sugim,通過分析關節約束反力的方法分析了Stewart 機器人的逆動力學方程, 但是文獻中缺乏動力學條件的詳細推導。O DO 和Yang 通過NewtOn-Euler 法, 在假定關節無摩擦, 各支桿為不對稱的細桿( 即重心在軸上且饒軸向的轉動慣量可以忽略) 條件下, 完成了Stewart機器人的逆動力學分析。Geng 和Liu 在簡化了機構的幾何和慣性分布後, 推導出了機器人的Lagrangian方程, Ji 分析了SteWart 機器人腿的慣性對動力性能影響， 對於具有一般結構和慣量分布的SteWart 機器人, Dasgupta 和Mruthyunjaya推導出了完整的逆動力學方程, 並利用NeWtOn-Euler法建立了一個高效的算法, 能夠很好的套用於並在線上器人的動力學計算, 他們運用此法, 得出了6-UPS 和6-PSS 型SteWart 機器人封閉的動力學方程, GOsselin 指出由於機構結構的並聯特點, 並行計算方案可以很好的套用到並在線上構的計算問題中去,。

任務空間的動力學公式利用NeWtOn-Euler法, 將能夠很好的用於一般的並在線上器人, 也可以用於其他類型的並在線上器人, Stewart 平台機器人的控制也很少有文獻報導, 幾乎是尚未解決的領域, 現有的試驗樣機也都是把各個自由度當成完全獨立的系統, 採用傳統的PID 控制, 控制效果不夠理想, 為使並在線上器人能進入實際套用階段, 對其控制理論~ 控制系統與技術還需做進一步深入的研究, 即截至目前, 關於並在線上器人的動力學和控制研究還沒有完全開展起來, 儘管機器人完整的動力學公式已經有了, 但關於他的動力特性的結論很少, 現在也還沒有研究出能夠充分利用並聯結構特點的控制策略。

含間隙機構及機器人動力學

運動副間隙是影響機構動力學特性的重要因素之一，雖然與柔性機構動力學等一起被列為機構動力學領域的前沿課題，但其研究成果相比之下卻要少得多。在含間隙機構的動力學模型、運動副分離準則、混沌特性、最佳化設計等方面的基礎性工作還不夠成熟，尚需要進行系統深入的研究。最近，考慮關節中間隙問題的機器人動力學開始引起人們的興趣，這也是機器人機構學新的研究方向之一，而它在很大程度上依賴於含間隙機構動力學方面的基礎。因此，把含間隙機構與機器人動力學作為一個專題來統一研究，對機構學和機器人學的發展都有很好的促進作用。當然，如能將構件柔性、誤差等因素也納入研究範圍，與間隙問題一起考慮，則能進一步反映機械系統真實狀況，這不僅對機構學及機器人學的學科發展有重要意義，而且在機械工程中也有很好的套用價值。