主被动关节柔性树形机器人系统动力学建模与仿真.pdf

《主被动关节柔性树形机器人系统动力学建模与仿真》这篇论文主要探讨了在机器人技术日益发展的背景下，如何高效地构建复杂结构的树形柔性机器人系统的动力学模型。文章特别关注了那些包含主动和被动关节的机器人系统，这些系统在实际应用中既有已知驱动力矩的关节，也有确定加速度的关节，即所谓的欠驱动多体系统。 论文首先介绍了研究背景，指出随着机器人系统结构的复杂化，特别是树形结构和刚柔结合的系统，动力学建模变得更为复杂。传统的动力学建模方法，如O(N3)次计算效率，已经不能满足需求，因此研究O(N)次算法成为了重要课题。作者引用了Carrera、Serna、Hwang Yunn等人以及NASA科学家G. Rodriguez等人的工作，他们研究了柔性多体系统动力学，但并未将其应用于树形柔性系统。 论文的核心是利用空间算子代数（Spatial Operator Algebra, SOA）来建立树形机器人系统动力学模型。通过拓扑结构和低序体阵列的方法描述树型机器人系统，作者提出了一个针对欠驱动树型多体系统的新建模方法。具体来说，他们根据关节的驱动情况将其分为主动铰和被动铰，并以此为基础进行运动学建模。随后，他们分别按照从系统顶端到底座和从底座到顶端的顺序，递推计算铰接体惯量、冗余力、广义加速度和广义主动力。在分支点，通过叠加广义力和广义加速度矢量得到整个系统的广义动力学模型。这种方法实现了O(N)次的计算效率，显著提高了建模效率。 为了验证这种方法的有效性和准确性，作者以加拿大树形空间机械臂为例进行了仿真。仿真结果证明了所提出的混合递推动力学建模算法在处理树形柔性多体系统时的正确性和高效性。 这篇论文贡献了一种新的、基于空间算子代数的树形柔性机器人动力学建模方法，该方法特别适用于处理包含主动和被动关节的欠驱动系统，能有效提高建模和计算效率。这对于推动机器人技术在复杂环境中的应用具有重要意义，为未来的机器人设计和控制提供了理论支持。