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第6章 机器人的动力学 手爪力和关节驱动力的关系 则杆 的动能(在基础坐标系中)为: 令式中 称为连杆 的伪惯量矩阵。 则得到杆 的动能为: 对于杆 上任意一点的 (在杆 坐标系中)可以表示为: 根据理论力学中惯性矩、惯性积和静矩的定义,引入下列记号: 对坐标轴的惯性矩: 则有: 对坐标轴的惯性积: 对坐标轴的静矩: 质量之和: 于是: x z y r Power Electronics Electrical Drive Lab * Power Electronics Electrical Drive Lab 内容简介 机器人动力学概述 工业机器人的静力学分析 二杆机器人的拉格朗日方程 机器人的拉格朗日方程的一般表达形式 6.1 工业机器人的静力学分析 1 虚功原理 手爪的虚位移 手爪的虚位移 手爪力 关节驱动力 2 机械手静力学关系式的推导 6.1 工业机器人的静力学分析 2 机械手静力学关系式的推导 6.1 工业机器人的静力学分析 2 机械手静力学关系式的推导 6.1 工业机器人的静力学分析 内容简介 机器人动力学概述 工业机器人的静力学分析 二杆机器人的拉格朗日方程 机器人的拉格朗日方程的一般表达形式 机器人的牛顿—欧拉方程 机器人的凯恩方程法简介 弹性机器人动力学简介 一、研究目的: 1、合理地确定各驱动单元(以下称关节)的电机功率。2、解决对伺服驱动系统的控制问题(力控制) 在机器人处于不同位置图形(位形)时,各关节的有效惯量及耦合量都会发生变化(时变的),因此,加于各关节的驱动力也应是时变的,可由动力学方程给以确定。 6.2 机器人动力学概述 二、机器人动力学研究的问题可分为两类: 1、给定机器人的驱动力(矩),用动力学方程求解机器 人(关节)的运动参数或动力学效应(即已知 , 求 和 ,称为动力学正问题。)。 2、给定机器人的运动要求,求应加于机器人上的驱动力(矩)(即已知 和 ,求 , 称为动力学逆问题 )。 6.2 机器人动力学概述 三、动力学研究方法: 1.拉格朗日方程法:通过动、势能变化与广义力的关系,建立机器人的动力学方程。代表人物 R.P.Paul、J.J.Uicker、J.M.Hollerbach等。计算量O(n4),经优化O(n3),递推O(n)。 2.牛顿—欧拉方程法:用构件质心的平动和相对质心的转动表示机器人构件的运动,利用动静法建立基于牛顿—欧拉方程的动力学方程。代表人物Orin, Luh(陆养生)等。计算量O(n)。 6.2 机器人动力学概述 3.高斯原理法: 利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动力学问题化成极值问题求解.代表人物波波夫(苏). 用以解决第二类问题。计算量O(n3)。 4.凯恩方程法:引入偏速度概念,应用矢量分析建立动力学方程。该方法在求构件的速度、加速度及关节驱动力时,只进行一次由基础到末杆的推导,即可求出关节驱动力,其间不必求关节的约束力,具有完整的结构,也适用于闭链机器人。计算量O(n!)。 6.2 机器人动力学概述 内容简介 机器人动力学概述 工业机器人的静力学分析 二杆机器人的拉格朗日方程 机器人的拉格朗日方程的一般表达形式 动力学方程为: 广义力 广义速度 广义坐标 (力或力矩)( 或 ) ( 或 ) 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 应用质点系的拉格朗日方程来处理杆系的问题。 定义:L=K-P L—Lagrange函数;K—系统动能之和;P—系统势能之和。 6.3.1 刚体系统拉格朗日方程 设二杆机器人臂杆长度分别为d1,d2,质量分别集中在端点为m1 m2,坐标系选取如图。 以下分别计算方程中各项: 一、动能和势能 对质点 : 势能: 动能: (负号与坐标系建立有关) 6.3.2 刚体系统拉格朗日方程 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 对质点: 先写出直角坐标表达式: 6.3.2 刚体系统拉格朗日方程 对 求导得速度分量: 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 动能: 势能: 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 二、Lagrange函数 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 三、动力学方程 先求第一个关节上的力矩 ——(1) 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 三、动力学方程 先求第一个关节上的力矩 ——(1) 6.3 二杆机器人的拉格朗日方程 同理,对 和 微分,可求得第二关节力矩 以上是两杆机器人动力
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