含主动约束层阻尼柔性机器人大变形动力学建模和实验研究

With the next generation of robots engineering as the background, this project focuses on the research of large deformation dynamics of rigid-flexible-soft coupling robots with lightweight, high speed, high precision, and flexibility. To develop an efficient and universal dynamic modeling theory for flexible body robots with large deformation, the large deformation of components and strong rigid-flexible coupling dynamic problems during movements of such complex robot systems will be considered though theoretical modeling, numerical simulation and experimental validation. The novel and efficient dynamic modeling theory so called as “floating frame of reference method based on ANCF deformation description” will be proposed. Using the proposed theory, the precise large deformation dynamic model of the flexible robot with active constrained layer damping (ACLD) treatment will be established and will be used to deal with the vibration control of the system. The research will have important application value in the field of flexible robots and important academic value on the promotion the development of flexible multi-body system dynamics theories. The research of the project will be done on the following respects: 1. the large deformation modeling theory of rigid-flexible coupling dynamics; 2. large deformation dynamic modeling and control analysis of flexible body robots with active constrained layer damping treatment; 3. experimental verification of the large deformation rigid-flexible dynamic model.

本项目以新一代机器人工程为背景，针对刚-柔-软体机器人这类具有轻质柔性、高速、精确灵活等特点的复杂机器人在运动过程中出现的构件大变形和强烈的刚柔耦合等动力学过程问题，通过理论建模、数值仿真以及实验验证等手段，重点研究高效和通用的柔性机器人在大变形下的动力学建模理论。提出基于绝对节点坐标法（ANCF）变形运动描述的浮动坐标系法的大变形刚柔耦合动力学程式化高效建模理论，建立含大变形主动约束层阻尼结构的柔性机器人的精准动力学模型，进而处理大变形柔性机器人的振动控制问题。本项目的研究不仅在柔性机器人领域具有重大的应用价值，而且对推动柔性多体系统动力学理论的发展具有重要的学术价值。本项目的主要研究内容为：1. 大变形刚柔耦合动力学建模理论研究；2. 主动约束层阻尼柔性机器人大变形动力学建模与控制分析；3. 大变形刚柔耦合动力学模型实验验证。

本项目以新一代机器人工程为背景，针对刚-柔-软体复杂机器人运动过程中出现的构件大变形和强烈的刚柔耦合等动力学问题，通过理论建模、数值仿真以及实验验证等手段，重点研究了高效和通用的柔性机器人大变形动力学建模理论。本项目不仅在柔性机器人领域具有重大的应用价值，而且对推动柔性多体系统动力学理论发展具有重要的学术价值。主要研究了如下内容：. 1.高精度大变形柔性体动力学建模理论研究. 用无网格法代替传统绝对节点坐标法（ANCF）中的有限单元，构造了适用于描述柔性梁、板绝对位形的无网格径向基点插值（Radial Point Interpolation Method，RPIM）形函数，提出了柔性梁、板基于无网格RPIM的ANCF法（ANCF/RPIM）。所提出的方法较传统ANCF法精度更高、稳定性更好。. 采用绝对节点坐标法描述变形的策略来描述柔性体相对于浮动坐标系的变形，从而可以完全释放传统FFR中柔性体小变形假设，采用FFR法进行动力学建模，提出了基于绝对节点变形描述的浮动坐标系法（nodal coordinate based floating frame of reference(NCFFR) formulation,），提升了FFR法处理大变形问题的能力。. 研究了计算几何方法在大变形体中对变形场的描述问题。采用spline finite point method (SFPM) 和Beizer finite point method (BFPM)对柔性板的变形场进行了描述，结果表明所采用的计算几何法能有效离散大变形体。. 2.主动约束层阻尼柔性机器人刚柔耦合动力学与控制研究. 研究了全覆盖ACLD、部分覆盖增强型ACLD、温度效应等情形下的ACLD结构的刚柔耦合动力学建模理论，提出了该类结构的新型动力学模型。通过仿真，观察到了ACLD柔性板的频率转向、模态转换、阻尼比跳跃等现象，深化了对ACLD柔性结构的动力学性态的理解。. 运用NCFFR法建立了柔性杆机器人大变形动力学方程，并进行了动力学仿真和控制研究。. 3.大变形刚柔耦合动力学模型实验验证. 搭建了试验平台，对旋转柔性梁/板（可含ACLD结构，以及大变形情形）等结构的动力学特性与运动控制进行了实验研究。