坐标系与动力学模型建立
机器人运动学和动力学分析及控制
机器人运动学和动力学分析及控制引言随着科技的不断进步，机器人在工业、医疗、军事等领域发挥着越来越重要的作用。
而机器人的运动学和动力学是支撑其运动和控制的重要理论基础。
本文将围绕机器人运动学和动力学的分析及控制展开讨论，探究其原理与应用。
一、机器人运动学分析1. 关节坐标和笛卡尔坐标系机器人运动学主要涉及的两种坐标系为关节坐标系和笛卡尔坐标系。
关节坐标系描述机器人每个关节的转动，而笛卡尔坐标系则描述机器人末端执行器在三维空间中的位置和姿态。
2. 正运动学和逆运动学正运动学问题是指已知机器人每个关节的位置和姿态，求解机器人末端执行器的位置和姿态。
逆运动学问题则是已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人每个关节的位置和姿态。
解决机器人正逆运动学问题对于实现精确控制非常重要。
3. DH参数建模DH参数建模是机器人运动学分析中的重要方法。
它基于丹尼尔贝维特-哈特伯格(Denavit-Hartenberg, DH)方法，将机器人的每个关节看作旋转和平移运动的连续组合。
通过矩阵变换，可以得到机器人各个关节之间的位置和姿态关系。
二、机器人动力学分析1. 动力学基本理论机器人动力学研究的是机器人在力、力矩作用下的运动学规律。
通过牛顿-欧拉方法或拉格朗日方程，可以建立机器人的动力学模型。
动力学模型包括质量、惯性、重力、摩擦等因素的综合考虑，能够描述机器人在力学环境中的行为。
2. 关节力和末端力机器人动力学分析中的重要问题之一是求解机器人各个关节的力。
关节力是指作用在机器人各个关节上的力和力矩，它对于机器人的稳定性和安全性具有重要意义。
另一个重要问题是求解末端执行器的力，这关系到机器人在任务执行过程中是否能够对外界环境施加合适的力。
3. 动力学参数辨识为了建立精确的机器人动力学模型，需要准确测量机器人的动力学参数。
动力学参数包括质量、惯性、摩擦等因素。
动力学参数辨识是通过实验方法，对机器人的动力学参数进行测量和估计的过程。
理论力学中的动力学模型如何建立？
理论力学中的动力学模型如何建立？在理论力学的领域中，动力学模型的建立是理解和解决许多实际问题的关键。
动力学主要研究物体的运动与所受力之间的关系，而建立准确有效的动力学模型能够帮助我们预测物体的运动状态、分析系统的性能，并为工程设计和科学研究提供有力的支持。
要建立动力学模型，首先需要明确研究对象和系统边界。
这意味着要清楚地确定我们所关注的物体或物体组，以及它们与周围环境的相互作用范围。
比如，在研究汽车悬挂系统的动力学时，我们要明确是只考虑单个车轮和悬挂部件，还是将整个车辆作为研究对象。
同时，也要确定系统与外界的能量、力的交换边界。
确定好研究对象和边界后，下一步就是进行受力分析。
力是改变物体运动状态的原因，所以准确分析物体所受的各种力至关重要。
常见的力包括重力、弹力、摩擦力、拉力、推力等等。
以一个在斜面上滑动的物体为例，它受到垂直向下的重力、垂直于斜面向上的支持力，以及沿着斜面方向的摩擦力。
在复杂的系统中，可能还存在诸如电磁力、流体阻力等其他类型的力。
对于每一种力，都需要根据其特点和相关的物理定律来进行计算和表达。
在受力分析的基础上，我们要选择合适的坐标系来描述物体的运动。
坐标系的选择直接影响到后续的数学处理和方程的形式。
常见的坐标系有直角坐标系、极坐标系、自然坐标系等。
比如，对于做圆周运动的物体，使用极坐标系通常会更加方便；而对于在平面上自由运动的物体，直角坐标系可能更为适用。
选择坐标系时，要考虑到问题的对称性和简便性，以便于后续的数学运算和方程推导。
接下来就是建立运动方程。
这通常基于牛顿第二定律，即物体所受的合力等于质量乘以加速度。
通过将受力分析的结果代入牛顿第二定律，并结合所选坐标系中的位移、速度和加速度的关系，我们可以得到描述物体运动的微分方程。
对于多物体组成的系统，还需要考虑物体之间的约束关系，如连接方式、相对位置等，通过引入约束方程来完善整个动力学模型。
除了牛顿定律，还有其他一些原理和方法可以用于建立动力学模型。
质点在柱坐标系中的动力学方程
质点在柱坐标系中的动力学方程运动学是物理学中一个重要的研究范畴，它研究物体在给定状态或者受特定力的作用下处于运动状态时，它的速度和加速度与时间之间的变化关系。
在运动学中，有很多不同的坐标系，其中最著名的是柱坐标系，为了更好地描述物理系统运动，我们需要建立柱坐标系中质点的动力学方程。
首先，我们以柱坐标系为例，它主要由三个坐标组成: x, y, z。
假设质点的位置由柱坐标系的坐标 r=(x，y，z)表示，则质点的速度由速度矢量v=(vx,vy,vz)表示，其中vx,vy,vz分别为质点在柱坐标系的x,y,z方向上的速度。
此外，质点受外力F=(Fx,Fy,Fz)的作用，其中Fx,Fy,Fz分别为x,y,z方向上的外力分量。
根据牛顿第二定律，质点在柱坐标系中的动力学方程可以表示为： mvx=Fxmvy=Fymvz=Fz其中m表示质点的质量，vx,vy,vz分别为质点在柱坐标系的x,y,z方向上的加速度分量。
可以看出，质点在柱坐标系中的动力学方程主要由质点质量、位置、速度和外力四个参数决定。
如果可以确定上述参数值，则可以求解质点在柱坐标系中的动力学方程，从而解决实际工程中的问题。
例如，在有重力场的情况下，假设质点受重力G=(0，0，-g)的作用，其中g表示重力加速度，则质点在柱坐标系中的动力学方程可以表示为：mvx=0mvy=0mvz=-mg由此可见，质点在柱坐标系中的动力学方程与实际问题密切相关，因此它在工程实践中具有重要的应用价值。
例如，在计算机视觉和机器人导航领域，经常会遇到质点在复杂场景中的运动问题，此时，我们可以使用柱坐标系来描述物体的运动状态，然后利用质点在柱坐标系中的动力学方程来求解描述物体运动状态的参数，从而更好地实现计算机视觉和机器人导航的功能。
此外，质点在柱坐标系中的动力学方程还可以应用于航天飞行器的运动模拟，可以更准确地描述航天器的航迹，计算航天器的位置，甚至计算出航天器可以进行到的最远位置。
第2章多体系统动力学基本理论.
第2章多体系统动力学基本理论本章主要介绍多体系统动力学的基本理论，包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题。
通过本章的学习可以对多体系统动力学的基本理论有较深入的了解，为具体软件的学习打下良好的理论基础。
2.1 多体系统动力学研究状况多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。
从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。
本节将叙述多体系统动力学发展的历史和目前国内外研究的现状。
2.1.1 多体系统动力学研究的发展机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体系统动力学是其理论基础。
计算机技术自其诞生以来，渗透到了科学计算和工程应用的几乎每一个领域。
数值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS、NASTRAN等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。
计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS和DADS为代表的动力学分析软件。
两者共同构成计算机辅助工程（CAE）技术的重要内容。
多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。
多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。
它是在经典力学基础上产生的新学科分支，在经典刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段，目前已趋于成熟。
机器人的运动学和动力学模型
机器人的运动学和动力学模型机器人的运动学和动力学是研究机器人运动和力学性质的重要内容。
运动学是研究机器人姿态、位移和速度之间关系的学科，动力学则是研究机器人运动过程中力的产生和作用的学科。
机器人的运动学和动力学模型可以帮助我们理解机器人的运动方式和受力情况，进而指导机器人的控制算法设计和路径规划。
一、机器人运动学模型机器人运动学模型是描述机器人运动方式和位置关系的数学表达。
机器人的运动状态可以用关节角度或末端执行器的位姿来表示。
机器人的运动学模型分为正运动学和逆运动学两种。
1. 正运动学模型正运动学模型是通过机器人关节角度或末端执行器的位姿来确定机器人的位置。
对于串联机器人，可以使用连续旋转和平移变换矩阵来描述机械臂的位置关系。
对于并联机器人，由于存在并联关节，正运动学模型比较复杂，通常需要使用迭代方法求解。
正运动学模型的求解可以通过以下几个步骤：(1) 坐标系建立：确定机器人的基坐标系和各个关节的局部坐标系。
(2) 运动方程描述：根据机器人的结构和连杆长度等参数，建立各个关节的运动方程。
(3) 正运动学求解：根据关节的角度输入，通过迭代计算，求解机器人的末端执行器的位姿。
正运动学模型的求解可以用于机器人路径规划和目标定位。
2. 逆运动学模型逆运动学模型是通过机器人末端执行器的位姿来确定机器人的关节角度。
逆运动学问题在机器人的路径规划和目标定位等任务中起着重要作用。
逆运动学求解的难点在于解的存在性和唯一性。
由于机器人的复杂结构，可能存在多个关节角度组合可以满足末端执行器的位姿要求。
解决逆运动学问题的方法有解析法和数值法两种。
解析法通常是通过代数或几何方法，直接求解关节角度，但是解析法只适用于简单的机器人结构和运动方式。
数值法是通过迭代计算的方式，根据当前位置不断改变关节角度，直到满足末端执行器的位姿要求。
数值法可以用于复杂的机器人结构和运动方式，但是求解时间较长。
二、机器人动力学模型机器人动力学模型是描述机器人运动时受到的力和力矩的模型。
并联机器人的运动学分析
并联机器人的运动学分析一、引言机器人技术作为现代工业生产的重要组成部分，已经在汽车制造、电子设备组装、医疗器械等领域发挥着重要作用。
而在机器人技术中，并联机器人以其独特的结构和运动方式备受关注。
本文将对并联机器人的运动学进行深入分析，探讨其工作原理及应用前景。
二、并联机器人的运动学模型并联机器人由多个执行机构组成，这些执行机构通过联接杆件与运动基座相连，使机器人具有多自由度运动能力。
为了对并联机器人的运动学进行建模，我们需要确定每个执行机构的运动关系。
其中，分析最为常用的是基于四杆机构的并联机器人。
1. 四杆机构的运动学模型四杆机构是一种由两个连杆和两个摇杆组成的机构，通过这些部件的相对运动实现机构的运动。
在并联机器人中，常见的四杆机构包括平行型、等长型等。
以平行型四杆机构为例，我们可以将其简化为平面结构，并通过设定适当的坐标系进行建模。
在平行型四杆机构中，设两个连杆为L1和L2，两个摇杆为L3和L4。
定义坐标系，以机构的连杆转轴为原点，建立运动坐标系OXYZ。
假设L3的转角为θ3，L4的转角为θ4，连杆L1和L2的长度分别为L1和L2，则可以通过几何关系得到机构的运动学方程。
2. 并联机器人的运动学模型并联机器人由多个四杆机构组成，各个四杆机构之间通过杆件连接，使得整个机器人能够实现更复杂的运动。
以三自由度的并联机器人为例，每个四杆机构的连杆长度、摇杆转角都有一定的自由度限制。
通过对每个四杆机构的运动学模型进行分析，可以得到整个并联机器人的运动学方程。
三、并联机器人的动力学分析除了运动学分析，动力学分析也是对并联机器人进行研究的重要方向。
动力学分析包括对并联机器人在运动过程中的力矩、加速度等动力学参数的研究，是实现机器人精确控制和安全运行的基础。
1. 动力学模型的建立在并联机器人的动力学分析中，我们通常采用拉格朗日方法建立动力学数学模型。
通过拉格朗日方程可以建立机器人运动学和动力学之间的联系，从而实现对机器人运动过程中各个关节力矩的估算。
笛卡尔坐标系与数学模型的建立
笛卡尔坐标系与数学模型的建立在数学领域中，笛卡尔坐标系被广泛应用于解决各种问题。
它的建立是数学模型发展的重要里程碑之一。
本文将探讨笛卡尔坐标系的由来、应用以及数学模型的建立。
一、笛卡尔坐标系的由来笛卡尔坐标系是由法国数学家兼哲学家笛卡尔于17世纪提出的。
当时，笛卡尔面临着解决几何问题的困境，因为传统的几何学是基于欧几里得几何的，只能通过图形和文字来表达问题和解决方案。
为了克服这个问题，笛卡尔开始思考是否可以通过数学公式来描述几何问题。
于是，笛卡尔提出了一种新的思路，他认为可以通过将几何问题转化为代数问题来解决。
他引入了数轴和坐标系的概念，将几何问题转化为代数方程的求解问题。
这就是笛卡尔坐标系的基本思想。
二、笛卡尔坐标系的应用笛卡尔坐标系的应用广泛而深入。
它不仅在几何学中有着重要地位，还在物理学、工程学、经济学等领域发挥着重要作用。
在几何学中，笛卡尔坐标系可以用来描述点、线、面等几何图形的位置和关系。
通过坐标系，我们可以方便地计算距离、角度和面积等几何量。
例如，在平面几何中，我们可以通过两点的坐标来计算它们之间的距离，进而解决直线和曲线的交点问题。
在物理学中，笛卡尔坐标系被广泛应用于描述物体的运动和力学问题。
通过坐标系，我们可以建立物体的位置和时间的函数关系，从而得到物体的速度和加速度等物理量。
这为解决运动学和动力学问题提供了便利。
在工程学中，笛卡尔坐标系被用来描述机械结构的设计和运动。
例如，在机器人领域，我们可以通过坐标系来描述机械臂的运动轨迹和位置控制。
这为机器人的自动化操作提供了基础。
在经济学中，笛卡尔坐标系被用来建立经济模型和分析经济问题。
通过坐标系，我们可以将经济变量表示为函数关系，进而进行经济预测和政策制定。
这为经济学的发展和应用提供了数学工具。
三、数学模型的建立笛卡尔坐标系的建立为数学模型的发展提供了基础。
数学模型是通过数学方法来描述现实世界的一种抽象表示。
它可以用来解决各种实际问题，从而提高问题的分析和解决能力。
平面直角坐标系动点问题的解题技巧
平面直角坐标系动点问题的解题技巧在学习数学的过程中，平面直角坐标系动点问题是不可避免的一部分。
解决这类问题需要掌握一些基本的技巧和方法。
本文将从几个方面介绍平面直角坐标系动点问题的解题技巧。
1. 确定直角坐标系和参照系在解决平面直角坐标系动点问题之前，首先需要确定直角坐标系和参照系。
直角坐标系是用来描述物体运动的空间坐标系，而参照系则是用来描述物体运动的时间坐标系。
在确定坐标系和参照系后，我们就可以把物体的位置、速度和加速度等物理量表示为坐标和时间的函数。
2. 建立物理模型建立物理模型是解决平面直角坐标系动点问题的关键。
在建立物理模型时，需要考虑物体的运动状态、受力情况和物体的基本性质。
我们可以通过建立动力学模型和几何模型来描述物体的运动状态，并利用这些模型来计算物体的位置、速度和加速度等物理量。
3. 使用向量加减法在解决平面直角坐标系动点问题时，向量加减法是非常重要的。
通过使用向量加减法，我们可以将物体的运动状态表示为一个向量，从而方便计算物体的位置、速度和加速度等物理量。
此外，在使用向量加减法时，我们还需要注意向量的大小和方向，以便准确表示物体的运动状态。
4. 利用微积分知识微积分是解决平面直角坐标系动点问题的重要工具。
通过利用微积分知识，我们可以求解物体的速度和加速度，进而计算出物体的位置。
在利用微积分求解问题时，我们需要注意函数的导数和积分等基本概念，以便正确求解问题。
5. 应用三角函数知识三角函数知识也是解决平面直角坐标系动点问题的必备知识之一。
在解决平面直角坐标系动点问题时，我们经常需要涉及到角度和三角函数的计算。
因此，掌握三角函数知识是非常必要的。
总之，解决平面直角坐标系动点问题需要掌握一些基本的技巧和方法。
通过正确使用直角坐标系和参照系、建立物理模型、使用向量加减法、利用微积分知识以及应用三角函数知识等方法，我们可以有效地解决平面直角坐标系动点问题，提高数学解题能力。
六自由度并联机器人简介
六自由度并联简介六自由度并联简介1. 引言本文旨在介绍六自由度并联的基本概念、结构设计、运动学和动力学分析等内容。
六自由度并联是一种能够实现六个自由度运动的系统，具有广泛的应用领域，包括工业制造、医疗手术、半导体加工等。
2. 结构设计2.1 结构概述六自由度并联由基座、运动平台和连杆组成。
基座固定在地面上，运动平台通过多个连杆与基座相连，形成六个自由度。
运动平台上还装配有执行器和传感器等设备，用于控制和监测的运动状态。
2.2 连杆设计连杆是连接基座和运动平台的关键部件，其长度和形状对的运动性能有重要影响。
连杆的设计需要考虑运动范围、负载能力和结构强度等因素。
2.3执行器和传感器执行器用于驱动的运动，常见的执行器包括电机和液压缸等。
传感器用于监测的位置、力量和反馈信息，以实现自适应控制和安全保护。
3. 运动学分析3.1 坐标系建立建立的基座坐标系和运动平台坐标系，用于描述的位置和姿态。
3.2 正运动学通过正运动学方程，计算出给定关节变量下的末端位置和姿态。
正运动学方程是解决逆运动学问题的基础。
3.3 逆运动学逆运动学问题是指已知的末端位置和姿态，求解对应的关节变量。
采用数值方法或解析法求解逆运动学问题，以实现精确控制。
4. 动力学分析4.1 质心和惯性参数确定各部件的质量分布和惯性参数，建立动力学模型。
4.2 动力学方程建立的动力学方程，描述在给定控制力和力矩下的运动规律。
动力学方程求解可以实现的动态控制和冲击响应分析。
5. 应用领域6自由度并联在工业制造、医疗手术、半导体加工等领域具有广泛的应用。
通过灵活的运动和高精度的控制，该能够完成复杂的工作任务，并提高生产效率和产品质量。
6. 结束语本文对六自由度并联的结构设计、运动学和动力学分析进行了详细介绍。
希望通过本文的阅读，读者能够对该系统有更深入的了解。
1.本文档涉及附件：本文档附有六自由度并联的结构图、运动学和动力学分析的数学模型和各部件的技术参数表格等。
机器人控制中的动力学建模方法
机器人控制中的动力学建模方法动力学建模是机器人控制领域中的重要研究内容之一。
它是为了研究机器人在空间中的运动和力学特性而进行的理论与实践探索。
在机器人控制中，通过对机器人系统进行动力学建模，可以更好地理解机器人运动规律，并为实现精确控制和路径规划提供理论和工具。
本文将介绍机器人控制中常用的动力学建模方法。
一、拉格朗日动力学建模方法拉格朗日动力学建模方法是机器人控制中常用的一种建模方法。
它基于拉格朗日力学原理，通过描述机器人系统的动能和势能之间的关系，建立机器人的动力学方程。
通过动力学方程，可以计算机器人在给定力和输入条件下的状态变化。
拉格朗日动力学建模方法的基本步骤如下：1. 定义机器人系统的广义坐标和广义速度。
2. 计算机器人系统的动能和势能，得到拉格朗日函数。
3. 根据拉格朗日函数，推导出机器人系统的拉格朗日方程。
4. 化简拉格朗日方程，得到机器人的动力学方程。
通过拉格朗日动力学建模方法，可以得到机器人系统的动力学方程，进而进行控制器设计和模拟仿真。
二、牛顿-欧拉动力学建模方法牛顿-欧拉动力学建模方法是另一种常用的机器人动力学建模方法。
它基于牛顿定律和欧拉动力学方程，描述机器人系统的运动学和动力学特性。
与拉格朗日动力学建模方法相比，牛顿-欧拉动力学建模方法更直观且易于推导。
牛顿-欧拉动力学建模方法的基本步骤如下：1. 定义机器人系统的连接关系和坐标系。
2. 推导机器人的运动学方程，包括位置、速度和加速度之间的关系。
3. 根据牛顿定律和欧拉动力学方程，得到机器人系统的动力学方程。
4. 化简动力学方程，得到机器人的运动学和动力学模型。
通过牛顿-欧拉动力学建模方法，可以得到机器人系统的运动学和动力学模型，并基于此进行控制器设计和性能分析。
三、混合动力学建模方法除了上述的拉格朗日动力学建模方法和牛顿-欧拉动力学建模方法，还有一些混合动力学建模方法被广泛应用于机器人控制中。
这些方法结合了不同的数学工具和物理原理，旨在更准确地描述机器人系统的动力学特性。
刚柔耦合动力学的建模方法
第42卷第11期 2008年11月上海交通大学学报JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT YVol.42No.11 Nov.2008收稿日期:2007 10 08基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772113);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040248013)作者简介:洪嘉振(1944 ),男,浙江宁波市人,教授,博士生导师,研究方向:多体系统动力学与控制.电话(T el.):021 ********;E mail:jzhong@s .文章编号:1006 2467(2008)11 1922 05刚柔耦合动力学的建模方法洪嘉振, 刘铸永(上海交通大学工程力学系,上海200240)摘 要:对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾,对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结.为了对已有的建模方法进行评价,提出了5项指标:科学性、通用性、识别性、兼容性和高效性,指出现有的建模方法尚无法满足工程实际应用的需要,应研究满足全部评价指标的刚柔耦合动力学建模方法.文中对今后柔性多体系统刚柔耦合动力学的几个研究方向进行展望,包括理论建模、计算方法和试验研究等方面.关键词:刚柔耦合系统;动力学;建模方法;评价指标中图分类号:O 313 文献标识码:AModeling Methods of Rigid Flexible Coupling DynamicsH ON G J ia z hen, L I U Zhu y ong(Department of Engineering M echanics,Shanghai Jiaotong Univ er sity,Shanghai 200240,China)Abstract:A brief review about several phases and present status o f flexible multi bo dy dynamics w as given and the ex isting m odeling m ethods o f r ig id flex ible coupling dynam ics w ere sum marized.Five indexes,in cluding scientific index,g eneral index,identifiable index,compatible index and efficient index ,w ere pro posed to evaluate the ex isted mo deling methods.It show s that the ex isted m odeling metho ds can no t satis fy the actual needs of eng ineer ing application and new modeling m ethod w hich satisfies all the evaluating index es should be inv estig ated.T he r esearch tar gets including modeling theor y,com putational methods and exper im ents w er e sugg ested for the rigid flexible co upling dynamics o f the flex ible multi body sys tems.Key words:rigid flex ible coupling sy stem s;dy nam ics;mo deling methods;evaluating index柔性多体系统是指由多个刚体或柔性体通过一定方式相互连接构成的复杂系统,是多刚体系统动力学的自然延伸.考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统动力学称之为刚柔耦合系统动力学,主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合,以及这种耦合所导致的动力学效应.这种耦合的相互作用是柔性多体系统动力学的本质特征,使其动力学模型不仅区别于多刚体系统动力学,也区别于结构动力学.因此,柔性多体系统动力学是与经典动力学、连续介质力学、现代控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉学科[1 3],它对高技术、工业现代化和国防技术的发展具有重要的应用价值.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.衡量一个学科成熟度的标志之一就是清楚地理解不同方法之间的关系.显然,评价一个刚柔耦合系统动力学模型的优劣的重要标准应该是该模型是否能够可靠与高速处理各种动力学现象.通常解的精确与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.本文对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾;对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结;提出了一系列指标对这些建模方法进行评估;并对今后刚柔耦合动力学建模理论的研究方向进行展望.1 刚柔耦合动力学研究现状到目前为止,柔性多体系统的建模理论的发展大体可以分为4个阶段.(1)运动 弹性动力学建模方法.该方法的实质是将柔性多体系统动力学问题转变成多刚体系统动力学与结构动力学的简单叠加,忽略了两者之间的耦合.随着轻质、高速的现代机械系统的不断出现,该方法的局限性日益暴露出来.(2)混合坐标建模方法.该方法首先对柔性构件建立浮动坐标系,将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动与相对于该坐标系的变形的叠加.提出了用大范围浮动坐标系的刚体坐标与柔性体的节点坐标(或模态坐标)建立动力学模型.混合坐标建模方法虽然考虑了构件弹性变形与大范围运动的相互影响,但对低频的大范围刚体运动和高频的柔性体变形运动之间的耦合处理得过于简单.从实质上讲这种方法是一字零次近似的刚柔耦合方法.(3)动力刚化问题的研究.1987年,Kane等[4]对作大范围运动弹性梁进行了研究,指出了在采用零次近似耦合模型处理高速旋转的悬臂梁的动力分析中将产生发散的错误的结论,并提出了动力刚化的概念.近20年来,国内外研究的核心是对上述模型采用各种方法 捕捉动力刚度项,以期对传统混合坐标模型进行修正,得到了高速旋转的悬臂梁不发散的结果.(4)一般刚柔耦合动力学问题的研究.动力刚化只是刚柔耦合动力学的一种特例情况,其实质是一个非惯性系下的结构动力学问题.近年来,Liu、Yang等[5,6]从连续介质力学的基本原理出发,建立了较传统混合坐标模型(零次近似模型)更精确的一次近似的数学模型.2 刚柔耦合动力学建模方法柔性体建模方法根据参考坐标系选取的不同,可以归为3类[3]: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.它可以充分利用模态技术,对于小变形和低速的大范围运动的情况有较佳的计算效率与和精度,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.惯性坐标系方法源于大变形非线性有限元.针对动力刚化现象和刚柔耦合问题,国内外学者做了大量的研究,提出了不同的观点和方法,本文将进行概括和总结.2.1 浮动坐标系方法(1)初始应力法.Banerjee[7]认为增加的动力刚度是由于大范围运动所产生的惯性力作用在未变形柔性体上所产生的初始应力而引起的,并将其产生的动力刚度称为大范围运动诱发刚度.该方法将大范围运动所产生的惯性力分为12个惯性力和9个惯性力偶,然后采用结构力学中的单位力法形成动力刚度阵,附加到传统的混合坐标动力学模型上形成新的系统动力学方程.该方法适用于任意柔性体且动力刚度阵可以一次形成,无需重复迭代求解,计算效率高,但是该建模方法在理论上未得到严格证明.(2)几何非线性法.M ayo等[8]认为增加的动力刚度是由于柔性体大挠度产生的应变与位移之间的几何非线性关系所引起,并将其得到的刚度称为几何刚度.该方法在求系统的应变能时引入了应变与位移的几何非线性关系,将非线性项表示为与节点位移有关的几何刚度阵.但是在计算几何刚度阵时需要对位移的非线性项积分,表达式及其复杂,难以应用.(3)几何变形约束法.Kane等[4]对作大范围运动的悬臂梁的变形位移作了较精确的几何描述,将梁非中线上一点的纵向变形位移用中线上对应点的轴向伸长s和耦合变形项表示,得到动力刚度矩阵是常值矩阵,计算效率较高.在此基础上,Baner jee[7]研究了作大范围运动的板,但这种方法难以推广到柔性多体系统.(4)变形耦合方法.Zhang等[9]认为柔性体刚度的减弱是由于在运动学关系中过早地对变形的广义坐标进行了线性化,忽略了导致刚度增加的非线性项.因此,为了保留弹性变形耦合的非线性特征,将柔性体的变形场用广义坐标的2阶小量进行描1923第11期洪嘉振,等:刚柔耦合动力学的建模方法述,利用非线性的应变和变形位移的关系式和小变形假设,得到耦合模态形函数的表达式,最终形成一致线性化的动力学方程.由于此方法局限于将变形场用模态形函数来表示,其计算精度取决于模态形函数和真实模态形函数的近似程度,而且取几阶模态也较难确定.为了将此方法与有限元法相结合,王建明等[10]将梁单元内中线上任意点的位移表示为单元节点位移的非线性插值形式,同理求出单元耦合形函数阵,但是由于单元耦合形函数和变形位移只满足部分边界条件,不能保证有限元各单元节点变形位移的连续性.(5)子结构法.Liu等[11]将柔性体分成若干个子结构,虽然柔性体整体的位移-应变关系是非线性的,但是在子结构内部,位移-应变的线性化假设仍然成立.用假设模态法或线性有限元处理子结构的内部变形,子结构边界公共节点通过定义其位移约束方程来表示相邻子结构之间的位移协调性.但此方法结果明显依赖于子结构的数目,且在子结构的对接面上必须引入约束方程以满足变形的连续性.对复杂的大型结构,此方法的计算工作量非常大.(6)基于轴线积分的一次近似耦合模型.Liu、Yang等[5,6]提出的一次近似耦合模型是利用中线(面)耦合变形得到耦合变形阵,从而建立更高阶的耦合模型.传统线性变形场就是不计二次耦合项,当柔性体的大范围刚体运动速度不高时,二次耦合项对系统动力学性质影响较小;但是,当大范围刚体运动速度或加速度较大时,二次耦合项与大范围运动的耦合将对系统动力学性质产生大的影响.一次近似模型已经从数值仿真和物理实验两方面验证了变形场的高阶耦合项将对刚柔耦合系统的动力学特性产生大的影响,这也是动力刚化现象产生的本质. 2.2 惯性坐标方法(1)非线性有限元法.Simo等[12]认为增加的动力刚度项是由于柔性体的大应变而引起.在结构动力学非线性有限元方法的基础上,将柔性体的大范围运动及其变形运动统一采用相对惯性坐标系的节点位移来表示,得到的动力学方程中包含了由于大应变带来的非线性项,然后作为假设将该项化作与大范围运动有关的动力刚度项,发展了能够处理小变形大应变柔性体的非线性有限元模型,但以上方法仅限于梁式构件,计算效率非常低,无法应用到复杂的柔性多体系统动力学分析.(2)绝对节点坐标方法.Sugiyam aa等[13]提出了绝对节点坐标方法,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.在绝对节点坐标方法中,有限元的位形是在惯性系下的绝对位移坐标和斜率定义的,梁单元和板单元可以作为等参元处理.但是绝对节点坐标法的定义决定了它无法区分刚体运动和弹性变形,即使是小变形也要按照大变形的方法处理.2.3 随转坐标系方法随转坐标系方法源于计算结构动力学[14],最早是由Argy ris等提出作为固有模态方法的一部分而发展起来的.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.Belytschko等引进单元刚性轮转坐标系或随转坐标系,用于平面连续体和粱型单元的动力学建模.2.4 综合方法近年来还有研究者综合以上几类方法进行研究,可称之为综合方法.(1)浮动坐标系上的绝对节点坐标方法.Garcia Vallejo等[15,16]在浮动坐标系上采用绝对节点坐标法建模理论,研究了大范围运动已知的平面梁的动力刚化问题.刘锦阳等[17]在浮动坐标系上采用绝对节点坐标法建模理论,在小变形的假设下,建立了做大范围空间运动的柔性梁的刚柔耦合动力学模型.(2)浮动坐标系上的随转坐标系方法.尤超蓝[18]基于有限元技术,在浮动坐标系上使用随转坐标系建模方法,建立了作大范围运动的平面梁和板的刚柔耦合动力学模型.广义坐标采用浮动坐标系上的节点位移坐标,在随转坐标系上进行插值.插值单元内部的变形只与本单元的节点位移与转角有关,从通用性的角度对一般刚柔耦合动力学建模跨出了很大的一步.3 建模方法评价本文从以下几个指标来考核刚柔耦合动力学建模理论:!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;∀通用性,即可以推广到不同连续柔性体构件,而不能像已有的一次耦合模型依赖于沿整个轴(面)积分;#识别性,能够区分刚体运动和弹性变形;∃兼容性,能够退化为零次耦合模型;%高效性,即具有较快的计算速度.以平面梁为例,表1所示为最近几种建模方法的评价. 下面根据评价指标对建模方法进行分析:(1)科学性.科学性是所有评估指标中最重要的.初应力法虽然具有较高的计算效率,但是其在未变形柔性体上所产生的初始应力的假定在理论上未1924上 海 交 通 大 学 学 报第42卷表1 几种主要建模方法评价Tab.1 The evaluation of main modeling methods方法科学性 通用性识别性兼容性高效性初应力法无有有有有变形耦合法(有限元)无有有有有子结构法无有有有无基于轴线积分的一次近似法有无有有有绝对节点坐标法有有无无无浮动坐标系的绝对节点坐标法有有有无无浮动坐标系的随转坐标系方法有有有无无得到严格证明.变形耦合方法(有限元)中,单元耦合形函数和变形位移只满足部分边界条件,不能保证有限元各单元节点变形位移的连续性.子结构方法没有给出如何选取子结构数目和大小的规则.(2)通用性.基于轴线积分的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型函数阵从梁(或板)的端点沿整个轴(面)积分,这就限制了其应用范围只能是直梁、矩形板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,基于轴线积分的一次耦合模型则无能为力.(3)识别性.采用浮动坐标系方法的都可以区分刚性运动和弹性变形.惯性坐标系方法和随转坐标系方法的建模理论决定了它们不区分刚性运动和弹性变形,不便于进行结构强度分析.(4)兼容性.零次耦合模型在处理某些刚柔耦合问题时具有足够的精度,计算工作量较小.针对当前处理柔性多体系统动力学问题的方法大多是基于零次耦合模型的现状,刚柔耦合动力学理论应该具备兼容性,在一定条件下能够退化为零次耦合模型.惯性坐标系方法由于采用的广义坐标为单元节点和斜率,无法退化到传统的线性有限元坐标.浮动坐标系上的随转坐标系方法中广义坐标定义在浮动坐标系上,然后在单元随转坐标系上线性插值,但在浮动坐标系上是高度非线性耦合的,也无法退化到零次耦合模型.(5)高效性.初应力法、基于轴线积分的一次近似方法和变形耦合方法(有限元)质量阵和刚度阵中的与积分相关的项都是一次生成,具有较高的计算效率.4 结 论本文综述了柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状.总结了已有的刚柔耦合动力学建模方法,并提出5项指标对这些建模方法进行评估.分析发现有的建模方法都无法全部满足5项评价指标,进一步研究刚柔耦合动力学建模理论具有重要的意义,大致有以下几项内容:(1)刚柔耦合动力学建模理论研究.建立同时满足以上评价指标的通用一次耦合动力学模型,并将其拓展到较复杂的刚柔耦合动力学系统.研究对象包括梁和板等复杂连续柔性体构件;运动形式从平面转动拓展到更复杂的耦合运动形式.研究的关键问题是如何合理地描述复杂结构变形场的高阶耦合项,评价这些高阶变形项与大范围运动耦合的效应.(2)刚柔耦合动力学计算方法研究.研究刚柔耦合理论应用于柔性多体系统程式化建模,便于计算机实现.再进一步对该模型的计算方法进行研究,提出高速、高精度、稳定的算法成为理论成果转化为生产力的关键.(3)刚柔耦合系统实验研究.一方面要通过设计新试验来验证刚柔耦合理论,另一方面通过试验可为进一步深入进行理论研究提供重要的启示,从而推动新理论的发展.同时还可以对物理试验和仿真的配合使用做进一步研究.参考文献:[1] 洪嘉振.计算多体动力学[M].北京:高等教育出版社,1999.[2] Schiehlen W.M ultibo dy sy stem dynamics:Roo ts andperspectives[J].Multibody System Dynamics,1997(1):149 188.[3] W asfy T M,No or A putat ional strat eg ies forflex ible multibody sy st ems[J].Appl M ech Rev,2003,56(6):553 613.[4] K ane T R,Ryan R R,Baner jee A K.Dy namics o f acantilev er beam attached to a mov ing base[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,1987,10(2):139 151.[5] L IU Jin y ang,H ON G Jia zhen.Dynamic modelingand mo dal truncat ion appr oach for a high speed r otating elastic beam[J].Archive of Applied Mechanics,2002,72:554 563.[6] Y A NG H ui,HO N G Jia zhen,YU Zheng yue.D ynam ics mo deling o f a flex ible hub beam sy st em w ith atip mass[J].Journal of Sound and Vibration,2003,266:759 774.[7] Baner jee A K.Block diag onal equatio ns for multibo dyelasto dy namics w it h g eo metric stiffness and constraints[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,1994,16(6):1092 1100.1925第11期洪嘉振,等:刚柔耦合动力学的建模方法[8] M ayo J,Doming uez J.G 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机器人的运动学和动力学模型是什么
机器人的运动学和动力学模型是什么机器人的运动学和动力学模型是为了描述机器人运动和力学特性而建立的数学模型。
运动学模型描述机器人的位姿、速度和加速度，而动力学模型则描述机器人的力、力矩和力的影响。
本文将详细介绍机器人的运动学和动力学模型，包括其定义、应用和建模方法。
一、运动学模型1. 定义机器人的运动学模型用于描述机器人的位姿、速度和加速度之间的关系。
位姿是机器人在三维空间中的位置和方向，速度是机器人在时间上的位置变化率，加速度是速度的变化率。
运动学模型可以帮助我们理解机器人的运动规律，例如机器人的轨迹、路径和姿态等。
2. 应用运动学模型在机器人领域有广泛的应用。
首先，它可以用于路径规划和轨迹跟踪。
通过建立机器人的运动学模型，我们可以预测机器人在不同环境下的运动轨迹，从而实现有效的路径规划和轨迹跟踪。
其次，运动学模型可以用于机器人的姿态控制。
通过了解机器人的位姿、速度和加速度之间的关系，我们可以设计控制算法，实现机器人在不同姿态下的运动控制。
此外，运动学模型还可以用于机器人的碰撞检测和避障。
通过分析机器人的运动学特性，我们可以预测机器人的碰撞风险，并采取相应的避障策略。
3. 建模方法机器人的运动学模型可以通过几何方法、代数方法和向量方法进行建模。
几何方法是最常用的建模方法之一。
它通过描述机器人的几何特征和运动规律来建立运动学模型。
例如，可以使用笛卡尔坐标系和欧拉角来描述机器人的位姿，使用导数和积分来描述机器人的速度和加速度。
代数方法是另一种常用的建模方法。
它通过代数方程和矩阵运算来描述机器人的位姿、速度和加速度之间的关系。
例如，可以使用坐标变换和雅可比矩阵来描述机器人的运动规律。
向量方法是较新的建模方法之一。
它通过向量运算和微分几何来描述机器人的位姿、速度和加速度之间的关系。
例如，可以使用四元数和向量叉乘来描述机器人的姿态和运动规律。
二、动力学模型1. 定义机器人的动力学模型用于描述机器人的力、力矩和力对机器人的影响。
质点在柱坐标系中的动力学方程
质点在柱坐标系中的动力学方程在经典力学中，质点在柱坐标系中的动力学方程是研究力学系统最基础的问题，它可以描述物体在各种物理情形和力学条件下的运动规律及其相互作用。
本文将重点介绍质点在柱坐标系中的动力学方程，包括其定义、数学模型以及相关求解方法。
首先，质点在柱坐标系中的动力学方程是指在柱坐标系内，描述物体运动的一组基本方程，它包括牛顿二阶定律和牛顿三阶定律。
牛顿二阶定律是指，给定一个点定义的柱坐标系，一个质点施加的外力和惯性力的总和等于这个质点的动量的变化（即质点的质量乘以它的加速度）。
这个定律可以用如下形式表示：F_{ext} + F_{iner} = m vec a其中，F_{ext}外力，F_{iner}惯性力，m是质量，a是加速度。
牛顿三阶定律是指，在某一点定义的柱坐标系下，一个质点施加外力和惯性力总和等于这个质点的惯性力（即质量乘以加速度的二阶导数）。
这个定律可以用如下形式表示：F_{ext} + F_{iner} = m ddot {vec x}其中，F_{ext}外力，F_{iner}惯性力，m是质量，x是加速度的二阶导数。
质点在柱坐标系中的动力学方程可以用以下数学模型来表示：begin{equation} dot{vec P} = vec F_{ext} + vec F_{iner} end{equation}begin{equation} dot{vec P} = m vec a end{equation}begin{equation} dot{vec P} = m ddot {vec x} end{equation} 其中，P为质点的动量，F_{ext}和F_{iner}分别为外力和惯性力，m为质量，a为加速度，x为加速度的二阶导数。
各项量的具体定义可以参见经典力学书。
质点在柱坐标系中的动力学方程可以经由不同的方法来求解，其中，最常用的方法有齐次线性方法、拉普拉斯变换和拉格朗日四次求积分等。
uuv模型
⎡X ⎤ ⎡0
⎢⎢Y
⎥ ⎥
⎢⎢0
⎢Z ⎥ ⎢0
⎢⎢K
⎥ ⎥
S = ⎢⎢sinφ cosθ sinφ sinθ sinϕ + cosφ cosϕ sinφ sinθ cosϕ − cosφ cosϕ⎥⎥
⎢⎣ − sinθ
cosθ sinϕ
cosθ cosϕ
⎥⎦
（2-2）
其反变换为：
⎛x⎞ ⎛ξ ⎞ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎜ y ⎟ = S −1⎜η ⎟
⎜⎝ z ⎟⎠
⎜⎝ζ ⎟⎠
⎜⎛ξ ⎟⎞ ⎜⎛ x⎟⎞ ⎜η ⎟ = S⎜ y⎟ ⎜⎝ζ ⎟⎠ ⎜⎝ z ⎟⎠
（2-1）
式中： ( x y z)T 是运动坐标系下的向量， (ξ η ζ )T 是固定坐标系下的向量，
S 是线性变换矩阵。
⎡cosφ cosθ sinφ sinθ sinϕ − sinφ cosϕ cosφ sinθ cosϕ + sinφ sinϕ⎤
1
2
3
4
1 水平舵 2 方向舵 3 主推进器 4 槽道辅助推进器
图 2.2 AUV 的外观示意图 根据 AUV 主、辅推进器的实际安装情况可以得到 AUV 六自由度空间运动 各向的推力表达式： （1）纵向推力
⎧ XTU = TU
⎪ ⎪
X
TD
= TD
⎨ ⎪
X
TL
= TL
⎪⎩ XTR = TR
X prop = ∑ XT = XTU + XTD + XTL + XTR
根据本文所研究的对象 AUV 的具体情况，可以得到适用于该 AUV 运动控 制的水动力表达式：
X = X u&u&+ Xu u u u + X wq wq + Xvr vr
(完整版)动力学建模方法与解法总结
目录1 刚体系统 (1)2 弹性系统动力学 (6)3 高速旋转体动力学 (10)1 刚体系统一般力学研究的对象，是由两个或两个以上刚体通过铰链等约束联系在一起的力学系统，为一般力学研究对象。
自行车、万向支架陀螺仪通常可看成多刚体系统。
人体在某种意义上也可简化为一个多刚体系统。
现代航天器、机器人、人体和仿生学中关于动物运动规律的研究都提出了多刚体系统的一系列理论模型作为研究对象。
多刚体系统按其内部联系的拓扑结构，分为树型和非树型（包含有闭链）；按其同外界的联系情况，则有有根和无根之别。
利用图论的工具可以一般地分析多刚体系统的构造，建立系统的数学模型和动力学方程组。
也可从分析力学中的高斯原理出发，用求极值的优化算法直接求解系统的运动和铰链反力。
依照多刚体系统动力学的理论和方法，广泛采用电子计算机对这些模型进行研究，对于精确地掌握这些对象的运动规律是很有价值的。
1.1 自由物体的变分运动方程任意一个刚体构件i ，质量为i m ，对质心的极转动惯量为i J '，设作用于刚体的所有外力向质心简化后得到外力矢量i F 和力矩i n ，若定义刚体连体坐标系y o x '''的原点o '位于刚体质心，则可根据牛顿定理导出该刚体带质心坐标的变分运动方程：0][][=-'+-ii i i i i i T i n J F r m r φδφδ&&&& (1-1) 其中，i r 为固定于刚体质心的连体坐标系原点o '的代数矢量，i φ为连体坐标系相对于全局坐标系的转角，i r δ与i δφ分别为i r 与i φ的变分。
定义广义坐标：T i T i i r q ],[φ= (1-2)广义：T i T i i n F Q ],[= (1-3)及质量矩阵：),,(i i i i J m m diag M '= (1-4)体坐标系原点固定于刚体质心时用广义力表示的刚体变分运动方程：0)(=-i i i T i Q q M q &&δ (1-5)1.2 束多体系统的运动方程考虑由nb 个构件组成的机械系统，对每个构件运用式(1-5)，组合后可得到系统的变分运动方程为：0][1=-∑=i i i nb i T i Q q M q&&δ (1-6)若组合所有构件的广义坐标矢量、质量矩阵及广义力矢量，构造系统的广义坐标矢量、质量矩阵及广义力矢量为：T T nb T T q q q q ],...,,[21= (1-7)),...,,(21nb M M M diag M = (1-8)T T nb T T Q Q Q Q ],...,,[21= (1-9)系统的变分运动方程则可紧凑地写为：0][=-Q q M q T &&δ (1-10)对于单个构件，运动方程中的广义力同时包含作用力和约束力，但在一个系统中，若只考虑理想运动副约束，根据牛顿第三定律，可知作用在系统所有构件上的约束力总虚功为零，若将作用于系统的广义外力表示为：T TA nb T A T A A Q Q Q Q ],...,,[21= (1-11) 其中：T A TA i A i n F Q ],[=，nb i ,...,2,1= (1-12) 则理想约束情况下的系统变分运动方程为：0][=-A T Q q M q &&δ (1-13)式中虚位移q δ与作用在系统上的约束是一致的。
重心运动的动力学模型
重心运动的动力学模型重心运动是物体在外力作用下，由于重力和其他需要考虑的力的影响而发生的运动。
在物理学中，我们可以利用动力学模型来描述重心运动。
动力学模型是通过运动学和牛顿力学的原理建立的。
在本文中，我们将探讨重心运动的动力学模型以及相关的数学公式和参数。
一、运动学基础在建立动力学模型之前，我们首先需要了解一些运动学的基础概念。
重心是指物体的质量平均集中的点，通常位于物体的几何中心。
在运动学中，我们用坐标系来描述物体的运动。
假设重心的坐标为(x, y)，那么重心的位移可以通过以下公式计算：Δx = x₂ - x₁Δy = y₂ - y₁其中，(x₁, y₁)和(x₂, y₂)分别表示重心在初始时刻和末尾时刻的坐标。
二、牛顿定律与运动方程牛顿定律是描述物体运动的基本定律。
根据牛顿第二定律，物体的运动状态由作用在它上面的合力决定。
在重心运动中，我们考虑的主要是重力和其他作用力。
根据牛顿第二定律，可以得到以下运动方程：F = m*a其中，F表示物体所受合力，m表示物体的质量，a表示物体的加速度。
在重心运动中，我们将a分解为水平方向和竖直方向的分量，即a = (aₓ, aᵧ)。
那么运动方程可以写成如下形式：Fx = m*aₓFy = m*aᵧ三、运动方程的解析解在实际情况中，我们可能需要求解重心运动的轨迹方程。
通过解析解，我们可以得到物体在任意时刻的位置和速度。
对于简单的重心运动情况，可以通过以下步骤求解：1. 确定初始条件：初始位置(x₁, y₁)和初始速度(vx₁, vy₁)；2. 根据受力分析，计算物体的加速度aₓ和aᵧ；3. 利用运动方程和初始条件，求解出物体的位置和速度表达式。
根据具体情况，我们可能会遇到不同的运动方程和解法。
比如，对于简谐运动，可以利用正弦或余弦函数来表示物体的位置和速度；对于抛体运动，可以利用二次函数来表示物体的轨迹。
四、数值模拟与实验验证除了解析解之外，我们还可以利用数值模拟的方法来求解重心运动的动力学模型。
机器人运动学与动力学建模分析
机器人运动学与动力学建模分析机器人运动学和动力学建模是研究机器人行为和运动规律的重要领域。
运动学主要关注机器人的位置、速度和加速度等几何特性，而动力学则研究机器人运动背后的力学原理。
在这篇文章中，我们将介绍机器人运动学和动力学建模的基本概念和方法，并通过实例分析来加深理解。
一、机器人运动学建模机器人运动学建模是描述机器人位置和运动规律的数学模型。
在机器人控制中，运动学模型非常重要，它可以帮助我们预测机器人的运动轨迹、速度和加速度等信息。
常用的机器人运动学模型包括点式机器人和刚体机器人模型。
1. 点式机器人模型点式机器人模型是最简单的机器人模型。
它假设机器人是一个质点，没有具体的形态和刚性要求。
我们可以用一个坐标系表示机器人的位置，通过几何变换和向量运算来描述机器人的运动。
点式机器人模型常用于描述移动车辆等简单机器人。
2. 刚体机器人模型刚体机器人模型是对真实机器人的更为精确的描述。
它考虑了机器人的形态和刚性特性，并用连续的链接和关节来模拟机器人的结构。
刚体机器人模型可以通过关节角度和链接长度来推导机器人的位置和姿态变换。
常见的刚体机器人模型包括直线型机器人和旋转型机器人等。
二、机器人动力学建模机器人动力学建模是研究机器人运动背后力学原理的数学模型。
它描述了机器人在受到力和扭矩作用下的运动规律。
机器人动力学建模可以帮助我们了解机器人运动的原因和机理，为机器人控制和优化提供重要参考。
1. 基本原理机器人动力学建模基于牛顿第二定律，将机器人的质量、惯性、外力和关节扭矩等因素考虑在内。
通过建立动力学方程，我们可以推导出机器人在不同状态下的运动方程，并对机器人的运动进行预测和分析。
动力学建模涉及到力、力矩、加速度等物理量的计算和描述，需要运用向量和矩阵运算等数学工具。
2. 模型分析与仿真机器人动力学建模不仅可以推导出机器人的运动方程，还可以通过数值仿真和模拟来对机器人的运动进行分析和验证。
利用计算机软件和数值计算方法，我们可以模拟不同环境和力量条件下，机器人的运动轨迹和力学特性。
飞行器空气动力学模型分析
飞行器空气动力学模型分析飞行器的空气动力学模型分析是航空工程中的关键任务之一，它涉及到飞行器在飞行过程中受到的气流力和阻力的研究和分析。
通过对飞行器的空气动力学模型进行分析，可以帮助设计师优化飞行器的外型，提高飞行器的性能和稳定性。
一、飞行器空气动力学模型的建立飞行器空气动力学模型的建立是对飞行器在气流中受到的各种力进行数学建模和物理描述的过程。
主要包括飞行器的气动力、气动阻力和气动力矩等。
建立准确的空气动力学模型可以帮助预测飞行器在各种条件下的性能表现，为飞行器的设计和改进提供依据。
在建立飞行器空气动力学模型时，首先需要确定计算的参考系和坐标系。
一般情况下，选取飞行器的重心为原点，以飞行器坐标轴系为基准建立坐标系，从而建立飞行器的空气动力学模型。
同时，还需要确定飞行器的气动参数，包括飞行器的参考面积、气动力系数和气动力矩系数等。
二、飞行器空气动力学模型的分析方法在飞行器空气动力学模型的分析中，通常采用数值计算和实验测试相结合的方法。
数值计算方法主要利用计算流体力学和数值模拟技术，对飞行器在气流中的流动进行数值模拟和计算，从而得到飞行器受到的气流力和阻力等信息。
实验测试方法则是通过风洞实验和飞行试验等手段，对飞行器在实际飞行状态下受到的气流力和阻力进行测量和分析。
在数值计算方法中，常用的模型包括雷诺平均Navier-Stokes方程模型（RANS）、Large Eddy Simulation模型（LES）和直接数值模拟（DNS）等。
这些模型可以帮助设计师深入理解飞行器在不同飞行状态下的气动行为，并优化设计参数以提高飞行器的性能和稳定性。
在实验测试方法中，风洞试验是一种常用的手段。
风洞试验通过在模型周围产生流动来模拟飞行状态，并通过测量飞行器表面上的压力分布、气动力和气动力矩等参数，从而得到飞行器在实际飞行中受到的各种力。
此外，还可以通过飞行试验来验证风洞试验的结果，并对飞行器进行真实环境下的性能测试和验证。
用平面二连杆机器人为例贯穿运动学、雅可比、动力学、轨迹规划甚至控制与编程分析
定义：根据目标位置和姿态，求解关节角度的过程 计算方法：利用几何学和逆运动学方程求解 意义：在机器人轨迹规划和运动控制中具有重要应用 适用范围：适用于具有完整运动学模型的机器人系统
定义：描述机器人末端执行器相对于机座标系的位置和姿态
建立坐标系：建立机器人末端执行器相对于机座标系的坐标系，以便进行运动学分析
编程语言选择：根据需求选择合适 的编程语言，如Python、C++等。
控制系统算法设计：设计控制算法， 如PID控制、模糊控制等。
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控制系统建模：建立平面二连杆机 器人的数学模型，包括运动学、动 力学等。
控制系统仿真与调试：通过仿真软 件对控制系统进行仿真和调试，确 保控制效果达到预期目标。
组成：控制系统由传感器、控制器和执行器 三部分组成。
分类：根据控制方式的不同，控制系统可以 分为开环控制系统和闭环控制系统。
线性二次型调节器 （LQR）：通过优化二 次代价函数来设计控制 器，实现最优控制。
比例积分微分（PID）控 制器：通过比例、积分 和微分环节来减小误差， 实现系统的稳态和动态 性能。
度之间的关系，即 d/dt(末端执行器的位 置和姿态)=J(关节变
量)d/dt(关节变量)
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计算方法：通过微分 几何和线性代数的知 识，将关节变量和末 端执行器的位置和姿 态之间的关系进行计 算，得到雅可比矩阵
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作用：雅可比矩阵是 机器人运动学和动力 学分析中的重要工具， 通过它可以推导机器 人的运动方程，实现 机器人的轨迹规划和
运动学方程：建立机器人末端执行器的位置和姿态与关节角度之间的关系，得到运动学方程 运动学分析方法：采用解析法或数值法对运动学方程进行分析，得到机器人末端执行器的位 置和姿态随时间的变化规律
浅析动力学问题正交分解时坐标系的建立
浅析动力学问题正交分解时坐标系的建立作者：***来源：《中学教学参考·理科版》2021年第05期[摘要]解決多个力作用于物体的动力学问题，通常采用正交分解法分析物体所受的力，这时就需要建立适当的坐标系。
在处理相关问题的过程中，不少学生由于不能结合实际问题建立直角坐标系，导致解题过程变得比较复杂，甚至导致解答错误。
文章结合教学实践探讨用正交分解法分析物理所受的力时坐标系的建立。
[关键词]正交分解;坐标系;动力学问题[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2021）14-0036-03解答物理习题是学生在物理学习过程中掌握知识、形成技能、发展能力的重要环节，也是培养学生物理学科核心素养的重要途径。
通过解题，学生的物理观念和科学思维得以培养，分析问题和解决问题的能力得以提升。
解题有方法、讲技巧，方法技巧运用得当，可以事半功倍。
高中物理动力学方面的习题是解题技巧性较强的一类习题，学生解题时往往有两大困难，一是对物体进行受力分析时发生错误;二是对物体所受的力不能正确地进行合成与分解。
如果学生掌握了一定的知识、方法和技巧，那么，学生解题速度和正确率都会大大提高。
本文就运用正交分解法解答动力学问题时建立直角坐标系的方法、技巧进行分析探讨。
一、解决物体受力平衡问题时，以少分解力为原则建立坐标系动力学方面的习题可分为平衡类和非平衡类两大类，这两类习题一般可按如图1所示的思维流程图求解。
其中“建坐标”和“分解力”是正交分解的两个关键步骤。
正交分解法作为分解力的一种方法，对处理涉及三个以上力的问题时优势非常明显，利用正交分解法分解力的关键是建立直角坐标系。
物体若受到多个力作用而平衡，由于没有加速度，物体所受的合外力等于零，解决此类多力平衡问题时，我们常用正交分解法对力进行分解，由于物体处于平衡状态，可以在任意方向建立一个直角坐标系。
原则上来说，坐标系的建立是随意的，但若真的随意建立坐标系，往往会使解题过程复杂化，错误率也会增加。