机器人技术及其应用第2版 张宪民第4章 机器人的动力学初步
44页1、,主编 张宪民,机器人技术及其应用,Theory and Application of Robotics,机器人的动力学初步,第四章,概 述,概 述,要了解机器人动力学, 也就是了解决定机器人动态特性的运动方程式,即机器人的动力学方程。它表示机器人各关节的关节变量对时间的一阶导数、二阶导数、各执行器驱动力或力矩之间的关系, 是机器人机械系统的运动方程。因此,机器人动力学就是研究机器人运动数学方程的建立,其实际动力学模型可以根据已知的物理定律(如牛顿或拉格朗日力学定律)求得。,概 述,机器人运动方程的求解可分为两种不同性质的问题: ()正动力学问题。即机器人各执行器的驱动力或力矩为已知,求解机器人关节变量在关节变量空间的轨迹或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹,这称为机器人动力学方程的正面求解,简称为正动力学问题。 ()逆动力学问题。即机器人在关节变量空间的轨迹已确定,或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹已确定(轨迹已被规划),求解机器人各执行器的驱动力或力矩,这称为机器人动力学方程的反面求解,简称为逆动力学问题。,概 述,不管是哪一种动力学问题都要研究机器人动力学的数学模型,区别在于问题的解法。人
2、们研究动力学的重要目的之一是对机器人的运动进行有效控制,以实现预期的运动轨迹。 常用的方法有牛顿.欧拉法、拉格朗日法、凯恩动力学法等。牛顿欧拉动力学法是利用牛顿力学的刚体力学知识导出逆动力学的递推计算公式,再由它归纳出机器人动力学的数学模型机器人的矩阵形式运动学方程;拉格朗日法是引入拉格朗日方程直接获得机器人动力学方程的解析公式,并可得到其递推计算方法。一般来说,拉格朗日法运算量最大,牛顿.欧拉法次之,凯恩动力学法运算量最小、效率最高,在处理闭链机构的机器人动力学方面有一定的优势。 在本章中只介绍牛顿.欧拉法、拉格朗日法两种方法,其他动力学方法请有兴趣的读者参考有关文献。,机器人的 静力学,机器人的静力学,在介绍机器人静力学之前,首先要说明一下静力学中所需要的虚功原理(principle of virtual work)。 约束力不做功的力学系统实现平衡的必要且充分条件是对结构上允许的任意位移(虚位移) 施力所做功之和为零。这里所指的虚位移(virtual displacement) 是描述作为对象的系统力学结构的位移,不同于随时间一起产生的实际位移。为此用“虚” 一词来表示。而约束力
3、(force of constraint)是使系统动作受到制约的力。下面看一个例子来理解一下实际上如何使用虚功原理。,机器人的静力学,如图所示,已知作用在杠杆一端的力,试用虚功原理求作用于另一端的力。假设杠杆长度和已知。 按照虚功原理,杠杆两端受力所做的虚功应该是,式中, 、是杠杆两端的虚位移。而就虚位移来讲,下式成立 式中, 是绕杠杆支点的虚位移。 把式()代入式()消 、,可得到下式,图- 杠杆及作用在两端上的力,机器人的静力学,由于式( ) 对任意的 都成立, 所以有下式成立,因此得到,可得到下式,当力向下取正值时,则为负值,由于的正方向定义为向上, 所以这时表明的方向是向下的,即此时和的方向都朝下。,机器人的静力学,现在利用前面的虚功原理来推导机器人的静力学关系式。以图 所示的机械手为研究对象,要产生图 所示的虚位移,推导出图 所示各力之间的关系式。这一推导方法本身也适用于一般的情况。 假设:,图4 2 机械手的虚位移和施加的力,机器人的静力学,如果施加在机械手上的力作为手爪力的反力(用来表示)时,机械手的虚功可表示为,为此,如果应用虚功原理,则得到,这里,手爪的虚位移 和关节
4、的虚位移 之间的关系,用雅可比矩阵表示为,把式(-)代入式(-),提出公因数,可得到下式,机器人的静力学,图43 求生成手爪力 或的驱动力,由于这一公式对任意的 都成立,因此得到下式成立,进一步整理, 把式中第二项移到等式右边, 并取两边的转置, 则可得到下面的机械手静力学关系式,式()表示了机械手在静止状态为产生手爪力的驱动力。,机器人的静力学,为了加深理解, 下面分别求解图所示的二自由度机械手在图示位置时,生成手爪力 ()或( ) 的驱动力 或 。图示为 , 时的姿态。,由关节角给出如下姿态,机器人的静力学,则由式() 可以得到驱动力如下,从求解的结果看到,在这里驱动力的大小为手爪力的大小和手爪力到作用线距离的乘积。,机器人的静力学,动力学不仅与驱动力有关,还与绕质心的惯性矩有关。下面以一质点的运动为例,了解惯性矩的物理意义。 如图所示,若将力 作用到质量为 的质点时的平移运动,看作是运动方向的标量,则可以表示为,图- 质点平移运动 作为回转运动的解析,式中, 表示加速度。若把这一运动看作是 质量可以忽略的棒长为 的回转运动, 则得到 加速度和力的关系式为,机器人的静力学,式中,
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