机器人静力分析与动力学讲课文档

机器人静力分析与动力学第1页，共44页。第2页，共44页。第3页，共44页。第4页，共44页。第5页，共44页。第6页，共44页。第7页，共44页。第8页，共44页。第9页，共44页。第10页，共44页。第11页，共44页。2.2机器人静力分析机器人在工作状态下会与环境之间引起相互作用的力和力矩。机器人各关节的驱动装置提供关节力和力矩，通过连杆传递到末端执行器，克服外界作用力和力矩。关节驱动力和力矩与末端执行器施加的力和力矩之间的关系是机器人操作臂力控制的基础。第12页，共44页。第13页，共44页。如图2.3所示，杆i通过关节i和i+1分别与杆i–1和i+1相连接，建立两个坐标系{i–1}和{i}。第14页，共44页。第15页，共44页。第16页，共44页。第17页，共44页。第18页，共44页。第19页，共44页。第20页，共44页。第21页，共44页。2.3机器人动力学方程机器人动力学的研究有牛顿-欧拉(Newton-Euler)法、拉格朗日(Langrange)法、高斯(Gauss)法、凯恩(Kane)法及罗伯逊-魏登堡(Roberon-Wittenburg)法等。本节介绍动力学研究常用的牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程。第22页，共44页。欧拉方程又称为牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指：研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程。欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。第23页，共44页。在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立起机器人的动力学方程。这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可建立比较方便而有效的动力学方程。第24页，共44页。第25页，共44页。第26页，共44页。第27页，共44页。第28页，共44页。第29页，共44页。第30页，共44页。第31页，共44页。第32页，共44页。第33页，共44页。从上面推导可以看出，很简单的二自由度平面关节型机器人的动力学方程已经很复杂，包含了很多因素，这些因素都在影响机器人的动力学特性。对于比较复杂的多自由度机器人，其动力学方程更庞杂，推导过程更为复杂，不利于机器人的实时控制。故进行动力学分析时，通常进行下列简化：第34页，共44页。二、关节空间和操作空间动力学1．关节空间和操作空间n个自由度操作臂的末端位姿X由n个关节变量所决定，这n个关节变量也叫做n维关节矢量q，所有关节矢量q构成了关节空间。末端执行器的作业是在直角坐标空间中进行的，即操作臂末端位姿X是在直角坐标空间中描述的，因此把这个空间叫做操作空间。运动学方程X=X(q)就是关节空间向操作空间的映射；而运动学逆解则是由映射求其在关节空间中的原象。在关节空间和操作空间操作臂动力学方程有不同的表示形式，并且两者之间存在着一定的对应关系。第35页，共44页。第36页，共44页。第37页，共44页。第38页，共44页。2.4机器人的动态特性静态特性：主要是反映静止状态或者是低速状态下的机器人特性，如静力分析，定位精度，重复定位精度等；动态特性：值在较高速运动状态下体现出来的特性，如快速响应性、跟随误差、稳定性等。取决与机构的刚度、驱动的力和力矩、控制器的运算速度和精度、控制算法的计算效率等。第39页，共44页。习题2.1简述欧拉方程的基本原理。2.2简述用拉格朗日方法建立机器人动力学方程的步骤。2.3动力学方程的简化条件有哪些？2.4简述空间分辨率的基本概念。2.5机器人的稳态负荷的研究包括哪些内容？2.6简述计算机控制机器人获得良好的重复性的处理步骤。第40页，共44页。2.7分别用拉格朗日动力学及牛顿力学推导题2.7图所示单自由度