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控制相关专业研究生选修课程;第5章典型机械系统的建模;5.1基于力学理论的机械系统建模;二、牛顿第二定律数学表达式;;或写成;例5.2单摆系统下图所示的单摆系统为输入力矩、

为输出摆角、m为小球质量、L为摆长。

根据力系平衡建立系统方程:;例5.3设一个弹簧、质量、阻尼系统安装在一个不计质量的小车上,如下图所示。推导系统数学模型。

假设t0时小车静止不动,并且安装在小车上的系统也处于静止状态。在这个系统中,u(t)是小车的位移,并且是系统的输入量。;例5.4有一质量-弹簧-阻尼系统如图所示,运用力学方法建立该系统的数学模型。;;例5.5机械式加速度计;分析质量M的受力情况,我们有:;例5.6倒立摆系统;设Mm,旋转角θ足够小,于是可以对运动方程做线性近似处理。这样,系统水平方向受力之和将为:;为得到1阶微分方程组,解出式(d)中的,代入式(c),并注意到Mm,则有:;系统状态方程则为:;5.2能量法推导运动方程;二、能量法推导运动方程;考虑到圆柱体做无滑动的滚动,因此,。并且注意到

转动惯量J等于,我们得到;经典动力学的两个发展方面;考察由N个质点的、具有理想约束的系统。根据

达朗贝尔原理,有;系统的总虚功为;动力学普遍方程的直角坐标形式;动力学普遍方程主要应用于求解动力学第二类问

题,即:已知主动力求系统的运动规律。;;;第一个Lagrange经典关系(消点);对任意一个广义坐标qj求偏导数;;此即拉格朗日方程,或称为第二类拉格朗日方程。;;对于只具有完整约束、自由度为N的系统,可以得到

由N个拉格朗日方程组成的方程组。;5.3拉格朗日方程(多自由度系统);例5.8系统如图所示,运用拉格朗日方程建立该系统的数学模型。;;例5.9某行星滚动机构中有一质量为m,半径为r的实心圆柱在半径为R,质量为M的圆筒内无滑动地滚动。已知圆柱和圆筒对轴心O的转动惯量分别为,圆柱对轴心O’的转动惯量为,建立圆筒绕其轴心转动时,该系统运动数学模型。

分析:??系统为两自由度系统。取广义坐标分别为圆筒转角θ和圆柱轴心偏离角。由于圆柱与圆筒间的运动是无滑动纯滚动,故在接触点A处它们具有相同的线速度:。

系统动能T为圆柱滚动和圆筒转动所具有的动能;系统的动力为重力,圆筒的势能等于零。

则系统的势能为;例5.10用拉格朗日方程建立图示系统运动的微分方程,用θ1、θ2和x作为广义坐标,以矩阵的形式写出微分方程。;利用拉格朗日方程可得;5.4机器人静力分析与动力学;18世纪瑞士

的写字偶人;排雷机器人“索杰纳”火星车引导机器人;机器人,特别是其中最有代表性的关节型机器人,实质上是由一系列关节连接而成的空间连杆开式链机构。要研究机器人,就必须对其运动学和动力学有一个基本的了解。

稳态下研究的机器人运动学分析只限于静态位置问题的讨论,未涉及机器人运动的力、速度、加速度等动态过程。实际上,机器人是一个复杂的动力学系统,机器人系统在外载荷和关节驱动力矩(驱动力)的作用下将取得静力平衡,在关节驱动力矩(驱动力)的作用下将发生运动变化。机器人的动态性能不仅与运动学因素有关,还与机器人的结构形式、质量分布、执行机构的位置、传动装置等对动力学产生重要影响的因素有关。;机器人动力学主要研究机器人运动和受力之间的关系,目的是对机器人进行控制、优化设计和仿真。机器人动力学主要解决动力学正问题和逆问题两类问题:动力学正问题是根据各关节的驱动力(或力矩),求解机器人的运动(关节位移、速度和加速度),主要用于机器人的仿真;动力学逆问题是已知机器人关节的位移、速度和加速度,求解所需要的关节力(或力矩),是实时控制的需要。

本节首先通过实例介绍与机器人速度和静力有关的雅可比矩阵,在机器人雅可比矩阵分析的基础上进行机器人的静力分析,讨论动力学的基本问题,对机器人的动态特性作简要论述,以便为机器人编程、控制等打下基础。;一、机器人雅可比矩阵;下图为二自由度平

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