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机器人动力学

第一章绪论

•机器人系统是一个复杂的机电一体化系统。它

是一种仿生装置，用来模拟人或生物的一些功

能完成一些复杂或繁重危险的工作。

•机器人是由多连杆、多关节以及一些电控和传

感系统构成的多输入多输出系统，之间存在着

错综复杂的耦合关系。

•机器人动力学是研究机器人运动与作用力之间

的关系。

第一章绪论

•1.1研究范围

•1.1.1、机器人动力学正问题

例：单自由度弹性体振动微分方程：

mxcxkxF

m

其中，—质量，c—阻尼，k—刚度系数，

F—主动力，x—位置坐标。

ÿ基本定义：对于给定的一组关节力和力矩，求

关节位移、速度和加速度。主要用于机器人动

态仿真和动力学优化。求解微分方程组—难。

第一章绪论

•1.1.2、机器人动力学逆问题

ÿ基本概念：已知轨迹点所对应的关节位移、速

度、加速度，求所需要的关节力和力矩。主要

用于机器人的设计和控制。求解代数方程

（组）—易。

•1.1.3、具有弹（柔）性构件的机器人动力学

为当前机器人学的前沿研究课题，属于柔

性多体动力学问题。柔性机器人操作臂是一个

复杂的非线性耦合的动力学系统。非线性反映

在：(a)刚柔耦合(b)大变形。

第一章绪论

•关于柔性与刚性的基本概念探讨：

（1）刚性：无变形。

（2）柔性：物体在外力作用下的变形能力。

刚体和柔体的区别不是单纯由物理性质和几

何形状决定，还决定于惯性力。

•1.2研究目的

•1.2.1机器人结构及驱动器设计

第一章绪论

1)根据机器人的运动指标（位移、速度和加速

度）和受力条件设计机器人操作臂的结构尺

寸，要求满足强度和刚度条件。—属于机械

设计范畴。

注意：不同的运动规划（操作任务）会改变

机器人的设计结构和受力条件。

2)根据机器人的运动指标和受力条件进行驱动

器设计。包括驱动方式、工作速度、驱动力

和力矩以及驱动功率等。

第一章绪论

•1.2.2动态仿真和优化设计

1)根据连杆质量、负载大小、传动机构特征进

行动态仿真。仿真结果可用于选择适当尺寸

的传动机构，指导机械结构设计。

2)在上述仿真基础上进行运动参数和机构结构

的综合优化。一般指标和要求是：运动速度

高，但惯性小，结构轻便。—广义惯性球

GIE。

第一章绪论

•1.2.3实时控制

1)前馈控制：补偿重力项。

2)期望力矩计算（逆动力学控制）。

1.3常用方法

1.3.1数学工具

矢量法、张量法、旋量法、矩阵法。

第一章绪论

•1.3.2常用建模方法

(1)力法：

•牛顿—欧拉（Newton-Euler）方法

•广义达朗伯（G-D’Alermbert）方法

(2)能量法：

•拉格朗日（Lagrange）方法

•哈密尔顿(Hamilton)方法

•凯恩（Kane）方程

•高斯(Gauss)方法

•阿贝尔(Apel)方程

第一章绪论

•1.4学习方法

1)原理2）定义3）数学模型4）应用

•1.5参考书

1)《机器人学》，熊有伦。机械工业出版社。

1993年10月，P131-161。

2)