刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真研究

刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真研究

1.前言

刚柔耦合并联机器人是一种新型的机器人技术，其特点是结合了刚体机器人和柔性机器人的优点，在运动控制、机械刚度、操作灵活性等方面具有很大的优势。本文旨在通过对刚柔耦合并联机器人的动力学建模及仿真进行研究，探索其在机器人领域的应用前景。

2.刚柔耦合并联机器人的概念和特点

刚柔耦合并联机器人是指将刚体机器人和柔性机器人结合起来，构成一种新型的机器人系统。其特点在于，将多个刚体部分通过柔性连接构成一个整体，在此基础上再进行机械臂设计及运动控制，使得机器人系统在运动中能够具备较高的柔性和韧性，同时兼备高刚度和高精度的优点。

与传统的刚体机器人相比，刚柔耦合机器人具有以下几个方面的特点：

（1）柔性连接：用柔性连接将多个刚体部分构成一个连续的机械臂结构，使得机械臂在操作时能够兼顾柔性和刚度。

（2）高韧性：由于采用了柔性部件，机械臂的韧性得到了提高，在进行协作任务时具有较好的适应能力。

（3）高效率：柔性部件的加入使得机械臂的运动更加平稳，能够在较高的速度下进行操作，提高了工作效率。

3.刚柔耦合并联机器人的动力学模型

为了更好地掌握刚柔耦合并联机器人的运动特性，需要对其进行

动力学建模。在机器人运动学模型中，关节角度、连杆长度以及机器

人末端的空间位置是非常重要的参数。在刚柔耦合机器人中，由于连

接部件的柔性，连接部件的长度随时间和机器人的运动而变化。因此，建立刚柔耦合并联机器人的动力学模型需要考虑柔性连接部件的材料

特性和节点运动方程。

在建立动力学模型时，可以采用Lagrange动力学方法。其中，Lagrange的动力学方程可以表示为：

Lagrange（T）- Lagrange（U）=d/dt（dL/d/dt（T））

其中T表示机械臂的运动状态参数，U表示势能，L表示机械臂的

动能。利用该方程可以求解机械臂在运动过程中所受到的各种力。

4.刚柔耦合并联机器人的运动控制

刚柔耦合并联机器人的运动控制是实现机器人高精度和高柔性的

重要措施。在机器人运动控制方面，需要针对不同的任务获得相应的

运动规划。根据机器人运动学和动力学模型，可以采用控制理论和算法，如PID控制、模糊控制以及神经网络控制等方法，实现机械臂的

运动控制。

在刚柔耦合并联机器人的运动控制中，需要考虑柔性连接部件的

时间变化特性，使得机械臂在运动过程中能够兼具高刚度和高柔性。

在实际应用中，可以利用机器人的运动学模型，结合机器人稳定控制

理论，对机械臂的运动轨迹进行优化，实现机械臂的高精度控制。

5.仿真模拟与实验验证

在进行机器人设计及控制方案制定时，需要根据不同的任务要求

对刚柔耦合并联机器人进行系统仿真。在仿真模拟中，可以采用SolidWorks、ADAMS等相关软件建立机器人的三维模型，并进行运动学和动力学仿真分析。最终，根据仿真结果进行机器人控制方案的修改

和优化。

同时，在仿真模拟完成后，还需要进行实验验证，以验证机器人

的实际性能。根据机器人的特点及任务要求，可以进行相关实验，如

负载试验、运动跟踪试验、重复精度试验等，对机械臂的机械刚度、

精度和柔性进行测试和评估，最终确定机器人的实际性能。

6.结论

刚柔耦合并联机器人在机器人领域的应用前景十分广阔。通过对

其动力学建模及仿真研究，可以更好地了解其在运动控制、机械刚度、操作灵活性等方面的具体特点。面对实际应用，需要根据不同的任务

需求，采用相关算法和控制方案，制定最佳的运动规划和控制方案，

最终实现刚柔耦合机器人的精准控制和优化应用。