考虑非线性力矩传递迟滞的柔性关节机械臂迭代式动力学建模

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11802118
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0704.多体与高维系统非线性动力学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Considering the great demands of flexible joint manipulator for high precision operations in aerospace, equipment manufacturing and other fields, how to improve its trajectory accuracy and dynamic response characteristics is still a research hotspot. .The model based high performance controller is an important way to improve the positioning accuracy, rapidity and stability of the manipulator. However, a variety of strong nonlinearities introduced by flexible joint lead to the traditional dynamic analysis methods which are not suitable for dynamics description of flexible joint manipulator with high degree of freedom. Considering the advantages of the axis-invariant theory to characterize manipulator system structures and operations, this project is going to propose a dynamic analysis method for flexible joint manipulators, which is concise, accurate and fast, and can clearly reflect the topology and chain-order relations of kinematic chains. Based on experimental analysis and theoretical deduction, we will reveal the mechanism and influencing factors of complex and strong nonlinearities such as static and dynamic friction its nonlocal hysteresis, and torsional rigidity introduced by harmonic drive joints, and the torque transfer hysteresis characterization of flexible joint with varying frequency and amplitude excitations will also be discussed. By analyzing the association form of joint flexibility and axis-invariant, we plan to establish a precise dynamic model of flexible joint, and parameterized and stylized explicit dynamic equations of multi-axis flexible joint manipulator based on axis-invariant, all which will provide theoretical basis on improving the positioning accuracy, real-time property and accuracy of modeling and calculation, and system development efficiency of manipulator.
面向航空航天、装备制造等高精密作业对柔性关节机械臂的重大需求,如何提高机械臂位置跟踪精度与动态响应特性是当前机器人领域研究的热点。基于模型的高性能控制器是提高机械臂定位精度、快速性和稳定性的重要手段,而柔性关节引入的强非线性导致传统动力学分析方法不适用于高自由度柔性关节机械臂动力学特性描述。鉴于轴不变量表征机械臂系统结构与运算的优势,本项目拟提出一种简洁、计算精度高速度快,能够清晰反映运动链拓扑及链序关系的柔性关节机械臂动力学分析方法。理论与实验相结合,揭示谐波传动关节的迟滞、静动态摩擦及其非局部滞回、扭转刚度等强非线性的产生机理与影响因素,给出变频变幅激励下关节力矩传递迟滞特性与表征方法,建立关节柔性与轴不变量的关联形式,基于轴不变量开展柔性关节精细动力学、多柔性关节机械臂参数化、程式化的显式动力学建模研究,为提高机械臂定位精度、建模与解算的实时性与精确性、以及开发效率提供理论支撑。

结项摘要

由于柔性关节引入的强非线性导致传统动力学分析方法不适用于高自由度柔性关节机械臂动力学特性描述。本研究首先建立了变频变幅激励下的非线性动态迟滞模型,通过将减速器内部阻尼引入到PI动态迟滞模型中,给出用来描述柔性关节非线性刚度的有效方法;其次,提出了一种采用弹性梁式的旋转式新型串联弹性关节,并结合关节的力矩输出特性和线性输出特性,对关节的SEA进行了力学分析与优化设计,实验结果表明该结构具有较好的线性输出特性,为柔性关节的优化设计与建模提供了理论指导;再次,提出了基于臂角优化方法的正逆运动学建模方法,通过引入“偏离中心度”与“二范数”指标,以及粒子群(PSO)优化算法对臂角进行优化,能够实现臂角不突变,关节偏离中心的幅度最小,保证关节活动裕量足够大,实现避关节限位,为轨迹规划和避障提供足够运动空间,同时保证关节运动连续,进而实现逆运动学优化;最后,建立关节柔性与空间矢量的关联形式,基于轴不变量开展了显式运动学、动力学建模的研究,鉴于空间矢量表征机械臂系统结构与运算的优势,提出了一种简洁、计算精度高速度快的柔性关节机械臂动力学分析方法,该研究为提高机械臂定位精度、建模与解算的实时性与精确性、以及开发效率提供了理论支撑。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(7)
Mechanical design and energy absorption analysis of spherical honeycomb core for soft-landing device buffer shell
软着陆装置缓冲壳球形蜂窝芯体力学设计及吸能分析
  • DOI:
    10.1007/s00707-020-02760-1
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Dong Yangyang;Yu Tong;Zhang Zijian
  • 通讯作者:
    Zhang Zijian
The steady vortex and enhanced drag effects of dandelion seeds immersed in low-Reynolds-number flow
低雷诺数流中蒲公英种子的稳定涡流和增强阻力效应
  • DOI:
    10.1063/5.0057589
  • 发表时间:
    2021-08
  • 期刊:
    AIP Advances
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Yangyang Dong;Kexin Hu;Zijian Zhang;Yongbin Wang
  • 通讯作者:
    Yongbin Wang
Asymmetrically Dynamic Coupling Hysteresis in Piezoelectric Actuators: Modeling Identification and Experimental Assessments
压电执行器中的不对称动态耦合磁滞:建模识别和实验评估
  • DOI:
    10.1142/s1758825119500510
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    International Journal of Applied Mechanics
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Zhang Zijian;Dong Yangyang
  • 通讯作者:
    Dong Yangyang
On the predictive modeling of nonlinear frequency behaviors of an archetypal rub-impact rotor
典型摩擦冲击转子非线性频率行为的预测建模
  • DOI:
    10.1016/j.ijmecsci.2019.105083
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Mechanical Sciences
  • 影响因子:
    7.3
  • 作者:
    Zhang Z. J.;Dong Y. Y.;Han Y. W.
  • 通讯作者:
    Han Y. W.
On the analysis of nonlinear dynamic behavior of an isolation system with irrational restoring force and fractional damping
具有非合理恢复力和分数阻尼的隔震系统非线性动力行为分析
  • DOI:
    10.1007/s00707-019-02425-8
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Y.Y.Dong;Y.W.Han;Z.J.Zhang
  • 通讯作者:
    Z.J.Zhang

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其他文献

机器人力控关节EtherCAT通信系统设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    机械与电子
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张子建;尚恺;杜云鹏;韩少杰;左堃罡;董洋洋
  • 通讯作者:
    董洋洋
一种新型的压电材料参数的精确表征方法
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    功能材料与器件学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴正斌;胡泓;王君君;徐国卿;董洋洋;吕延平;吴波
  • 通讯作者:
    吴波

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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