4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

doi:10.3901/JME.2017.23.092

机械工程学报 ›› 2017, Vol. 53 ›› Issue (23): 92-100.doi: 10.3901/JME.2017.23.092

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4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

李永泉^1,2, 单张兵^1,2, 王立捷^1,2, 张立杰^2,3

1. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛 066004;
2. 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学) 秦皇岛 066004;
3. 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛 066004

收稿日期:2017-04-16 修回日期:2017-08-21 出版日期:2017-12-05 发布日期:2017-12-05
作者简介:李永泉,男,1979年出生,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为并联机构及机器人技术,发表论文20余篇。E-mail:lijiang197879@sina.com;单张兵,男,1988年出生,硕士研究生。主要研究方向为并联机构运动控制。E-mail:shanzbing@163.com;王立捷,男,1992年出生,硕士研究生。主要研究方向为并联机器人控制技术。E-mail:874719109@qq.com;张立杰,男,1969年出生,教授,博士研究生导师。主要研究方向为并联机构及机器人技术、液压系统集成及控制技术。发表论文50余篇。E-mail:ljzhang@ysu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金（51405421）和河北省自然科学基金（E2015203101）资助项目。

Multi-energy Domain Dynamic Full Solution Model and Experiment for the 4-DOF Hybrid Robot

LI Yongquan^1,2, SHAN Zhangbing^1,2, WANG Lijie^1,2, ZHANG Lijie^2,3

1. Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science(Yanshan University), Ministry of Education of China, Qinhuangdao 066004;
3. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2017-04-16 Revised:2017-08-21 Online:2017-12-05 Published:2017-12-05

摘要/Abstract

摘要： 以4-DOF混联机器人为研究对象，分析了混联机器人的运动学，接着基于传统键合图建立了系统驱动部分（电动机和气动部分）键合图模型，基于旋量键合图建立了系统机械本体动力学模型，由于系统的并联部分引入冗余驱动，提出了采用输入力矩优化的方法，增加了1个补充方程，最终得到了该机器人完整的机、电、气耦合的多能域系统动力学全解模型。冗余驱动分支在随动和施加优化得到的力矩（力/位混合控制）两种情况下，借助键合图自动化仿真软件（20-sim）进行多能域动力学仿真；并进行样机的控制试验，将仿真与试验得到的驱动力矩进行对比，验证了所建机器人系统多能域动力学模型的正确性。通过试验可以证明：力/位混合控制时样机运行更加平稳且能有效提高机构的运动精度。

关键词: 20-sim, 动力学模型, 混联机器人, 冗余驱动, 旋量键合图

Abstract: 4-DOF hybrid robot is taken as the research object. Firstly the kinematics of hybrid robot is analyzed and the system driving (motor and pneumatic parts) bond graph model has established based on the traditional bond graph, the system dynamics model of mechanical has established based on the screw bond graph theory. Because the system uses parallel redundant actuation, added one additional equation base on the power input method optimization to finally get the robot complete machine, electricity and gas coupling of multi energy domains system dynamics model. In the two case of the redundant driving branch is casual and applies with optimized force (force/position hybrid control), according to the planning trajectory with bond graph automatic simulation software (20-sim) multi domain dynamic simulation; the control experiment of the prototype is carried out and the driving torques obtained by simulation are compared with the experimental results. So, the robot system can validate the correctness of the multi domain dynamics model. The experimental results show that the machine runs more smoothly and effectively improve the kinematic accuracy when the machine controlled through the hybrid force/position control.

Key words: 20-sim, dynamic modeling, hybrid robot, redundant actuation, screw bond graph

中图分类号:

TG156

李永泉, 单张兵, 王立捷, 张立杰. 4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验[J]. 机械工程学报, 2017, 53(23): 92-100.

LI Yongquan, SHAN Zhangbing, WANG Lijie, ZHANG Lijie. Multi-energy Domain Dynamic Full Solution Model and Experiment for the 4-DOF Hybrid Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(23): 92-100.

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