柔性机器人动力学的研究现状浅谈
1. 柔性机器人及柔性多体动力学的发展及现状 1.1 工业机器人简介
根据国家标准,工业机器人定义为“是一种机器,其机构通常有一系列互相铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度,用以抓取或移动物体(工具或工件。其操作机是自动控制的,可重复编程,多用途,并可对3个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式,在工业自动化应用中使用。”
工业机器人可有效解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本,在当代的工业化生产和制造中起到了非常重要的作用,尤其在日本,美国和德国等制造业强国。
世界上第一台工业机器人是在1959年,由英格伯格和德沃尔设计的,由美国尤尼梅逊公司生产,叫做“尤尼梅特”,意思是“万能自动”。1962年,机械与铸造公司又制造出另一种工业机器人,叫“沃尔萨特兰”,意思是“万能搬运”。这两种工业机器人把机器人引上了实用的道路。在以后十多年时间,各国所引进的、仿制的机器人,都是以它们作为原型。这两种工业机器人都是“示教再现型”机器人。这是第一代机器人典型的代表,其基本工作原理是:人手把着工业机器人完成一次任务,机器人通过传感器把此过程记录下来并反复再现。
到上世纪80年代初期,第二代工业机器人,即有“感觉器官”能在外界变化时可以完成复杂任务的机器人,已达到了实用阶段,而智能机器人已开始大量进行研究。90年代,第二代机器人已达到普及阶段了,国际劳工组织称它是“钢领工人”。
新的现代工业机器人技术的研发理念就是赋予工业机器人能从事精细工作的能力。它能够十分准确地将各种零部件安装到位,而且能够判断出所看到的是什么,并且做出相应的反应。具有分辨能力是现代机器人研究向智能化方向迈进的第一步。目前工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备,已广泛应程机械、电子信息、家电、化工等行业,主要用于完成焊接、漆、码垛等的作业。
工业机器人根据不同的要求有不同的分类。 按驱动装置的动力源,机器人可分为: 1液动式;2气动式;3电动式。 按用工业机器人的用途,可分为:
1搬运机器人;2喷涂机器人;3焊接机器人;4装配机器人;5 专门用途的机器人。
按机器人操作机的位置机构型式分,可分为:
1直角坐标型;2圆柱坐标型;3球坐标型;4关节坐标型。
总之,工业机器人的类型很多,可根据不同的要求进行分类。同时,对于一个具体的机器人,也可按不同的分类方法,属于几种类型。
1.2 机器人动力学问题
动力学方程是研究物体的运动和作用力之间的关系。 常见的动力学问题有两类:
第一类对象是在运动状态下工作的机械或结构,它们承受着本身惯性及与周围介质或结构相互作用的动力载荷,这类问题是动力学的力分析,或称之为动力学的正问题。己知系统必要的运动,通过运动学分析,计算与己知运动有关的运动链各连杆的位移、速度和加速度,求得各关节的驱动力或反力。
第二类对象是承受动力载荷作用的工程结构。这类问题是动力学的运动分析,或称之为动力学的逆问题已知作用在机构上的外力和各关节上的驱动力,计算各关节(或连杆运动的加速度,对加速度进行积分求得所需要的速度和位移。
机器人本质上是具有以下特征的复杂系统。
1. 具有多关节自由度、强耦合和高度非线性化的复杂的空间机构; 2. 具有复杂部件结构形状和材质特性的变结构体系;
3. 具有一定的结构柔性,运动中结构会发生弹性形变,关节具有弹性,运动系统会有低频振荡趋势的弹性结构体系;
4. 存在部件制造和装配误差及装配间隙的影响的复合结构。
机器人的动态特性包括其工作精度、重复能力、稳定性、空间分辨度和依从性等。这些特性取决于工具及其功能、手臂的几何结构、单独传动点的精度以及进行运动计算的计算机程序的质量等,主要描述了如下能力:
1它能够移动得多快,能以怎样的准确性快速地停在给定点,以及它对停止位置超调了多少距离等等。当工具快速移向工件时,任何超调都可能造成重大损害或事故。另一方面,
2如果工具移动得太慢,那么又会耗费过多的时间。机器人的稳定性涉及系统、装置或工具运动过程中无振荡问题。
1.3 柔性多体动力学的主要研究问题 (1柔性体建模方法
柔性体建模根据参考坐标系选取的不同,可以归为三类:浮动坐标系方法、随转坐标系方法和惯性坐标系方法。浮动坐标系方法是将多刚体动力学与结构动力学结合的一种方法,这种方法使多刚体动力学软件扩展应用于柔性多体系统成为可能,是目前柔性多体系统建模使用最广泛的方法。随转坐标系方法源于计算结构动力学,随转坐标系随弹性体内部的每个单独的有限元的平均刚体运动而运动。这种方法被用于大位移,大转角和小应变结构的建模。惯性坐标系方法源于大变形非线性有限元和连续体力学原理。惯性坐标系方法又称为绝对节点坐标方法,不再区分物体的刚体运动和变形,采用一致质量有限元对柔性体进行离散。与浮动坐标系方法比较,随转和惯性坐标系方法有一些共同的优点:惯性张量的平动部分是线性的常量;考虑
了运动的非线性,如大转动和动力刚化等自动得到满足。但是直到20世纪80年代后期,计算效率低是使用这两种方法的瓶颈。随着计算机速度的几何量级的提高与并行处理的技术发展,这两种方法有可能很经济的应用于实际的柔性多体系统。
根据力学的基本原理,基于不同的建模方法,得到形式不同的动力学方程,尽管在理论上等价,但是其数值性态的优劣不尽相同。显然,评价一个柔性多体系统动力学模型优劣的重要标准应该是该模型是否能够可靠和高速处理各种动力学现象。通常解的精确和计算所要付出的代价是一对矛盾,因此有必要对各种建模方法进行对比研究,研究它们适合应用的问题范围,探讨更加高效、精确的建模方法,建立准确和高效的做大范围运动的梁、板、壳和体单元模型。
(2刚柔耦合动力学研究
柔性多体系统刚柔耦合动力学建模理论的研究大致分为如下四个阶段: 1 运动—弹性动力学(KED 。 2 混合坐标方法。 3动力刚化问题的研究。 4刚柔耦合问题研究。
一次近似模型揭示了刚—柔耦合的本质,但是其对非线性变形场的描述并不完美。一次近似模型的耦合形函数从梁的端点沿整个轴积分,这就限制了其应用范围只能是直梁等具有规则外形的柔性体,对于像中间有孔或不规则形状的板等一般柔性构件,沿整轴积分的一次耦合模型则无能为力。
刚柔耦合动力学建模理论可由如下几个指标来考核:
1 科学性,应该从严格的理论推导得到,而不是通过猜测捕捉得到;
2通用性即可以推广到不同连续柔性体构件,而不能像传统一次耦合模型依赖于沿整个轴积分;
3识别性,能够区分刚体运动和弹性变形; 4兼容性,能够退化为零次耦合模型;
5高效性,即具有较快的计算速度。已有的建模理论都无法同时满足以上指标,因此需要发展能同时满足以上要求的新的刚柔耦合动力学建模理论。此外,对于有多个柔性体与多种铰形式的多体系统的刚柔耦合问题也有待进行深入研究。
(3接触碰撞问题
接触碰撞问题广泛的存在与机械工程,土木工程等领域,一直是学术界研究的一个热点。接触碰撞在柔性多体动力学中的应用主要有:机构装配、结合间隙、轮轨接触、空间机构的对接、机械臂抓取、结构变拓扑等。接触碰撞建模方法首先进行碰撞搜索检测,根据碰撞搜寻运算法则进行了分类:主从法则和等级区域法则。一旦碰撞被侦测到,需要建立碰撞动力学模型。主要有三种碰撞建模方法:冲量方法、Hertz方法及约束变形方法。冲量方法是基于碰撞过程中碰撞物体的位形不发生变化的假设基础上,利用动量守恒定律,用冲量描述了碰撞的不连续过程。冲量方法具有较高的计算效率,但是无法反映碰撞过程中力的关系。Hertz方法用弹簧阻尼器这一力元来描述碰撞过程,也具有较高的计算效率,在工程中得到比较广泛的应用。但是Hertz模型局限性在于无法得到确定弹簧刚度阻尼参数和嵌入深度的统一法则。接触碰撞问题的本质特点是具有单边约束和未知接触碰撞区域。采用约束变形方法能够真正从物理上对接触碰撞问题进行准确描述。弹性变形方法一般采用线性有限元的方法对碰撞区域进行处理。
具有高速算法的大型的软件系统是解决此类问题的一个基础,当前的关键问题是如何正确描述接触碰撞这些工程常见现象,提出它们力学本构关系,即建立精确而又高效的接触碰撞力学模型。在斜碰撞问题还涉及到摩擦问题,目前多简单应用库仑摩擦模型。在