基于键合图的挖掘机器人全局耦合动力学建模与特性研究

Robotic excavator is a hydraulic actuated mobile robot which can be used for missions in the unknown environment like lunar exploration, earthquake relief, and emergency EOD. It is a complex nonlinear coupling dynamic system. Modeling of the system dynamics, analyzing its global coupling dynamic characteristics and predicting the unstable motion are important for system optimization and control design. This research adopts the bond graph methodology witch suits the multi-energy domain coupling system to model the global coupling dynamics of the robotic excavator. Firstly, we construct the flexible multi-body dynamics of the manipulator, the dynamics of the slewing mechanism, the steering mechanism and the electro-hydraulic system by bond graph, and then compose the global coupling dynamic model by connecting the bond of each subsystem. The solution of the global mathematic model can be found on the basis of the solution of subsystems based on the analysis of topo-bond and its causal bar. Therefore, mathematical model stiffness and simulation time can be greatly reduced. The model will be testified in comparison with the ADAMS model and experiment excavator. The system dynamics will be analyzed by simulation to find the influence of the hard nonlinearities and parameters of each subsystem, and to predict the unstable motion. This research expands the applications of bond graph, provides reference for the modeling and analysis of the complex coupling nonlinear system.

挖掘机器人是液压驱动的移动机器人，可广泛应用于月球探测、抗震救灾、应急排爆及核废物处理等未知环境下的特殊作业。它具有复杂的机电液耦合非线性特性，建立系统动力学模型，分析其全局耦合动态特性，是结构优化与控制设计的基础。本研究拟采用适于多能域耦合系统的键合图理论，建立挖掘机器人全局耦合动力学模型，分析系统动态特性。首先建立机械臂多柔体动力学模型及回转机构、行走机构、电液伺服系统动力学模型，通过键接将各子系统拼装成全系统耦合动力学模型。研究键合图拓扑约束关系和因果关系，探索如何将系统数学模型由子模型分立计算，再全系统联合求解，以降低模型状态方程的病态程度，提高仿真效率。通过虚拟样机与实验样机动态实验验证模型有效性，通过仿真分析系统结构参数与硬非线性对动态响应的影响，预测自主作业稳定性，为系统结构优化与反馈控制设计提供依据。本研究拓展键合图理论的应用，为复杂耦合非线性系统的建模分析提供参考。

挖掘机器人是液压驱动的移动机器人，可广泛应用于月球探测、抗震救灾、应急排爆及核废物处理等未知环境下的特殊作业。它具有复杂的机电液耦合非线性特性，建立系统动力学模型，分析其全局耦合动态特性，是结构优化与控制设计的基础。本项目首先分析了系统非线性对动态响应的不利影响，基于键合图理论建立了挖掘机器人电液控制系统及作业机构子系统动力学模型，并根据功率传递关系，键接为机电液耦合非线性动力学模型。基于AMESim与ADAMS仿真软件分别建立了电液控制系统与作业机构虚拟样机模型，并进行联合仿真分析，验证了系统耦合非线性及模型有效性。最后，基于建立的系统模型及分析得出的系统非线性耦合特性，分别采用带死区补偿分段PID及灰箱预测控制进行挖掘机器人平整作业实验，进一步检验了系统模型及其非线性动态特性。. 本项目通过对系统非线性建模与分析，提出了采用分段PID和预测控制算法实现挖掘机器人轨迹精确控制，为解放军陆军工程大学和陆军勤务学院应用挖掘机器人进行无人排爆及应急抢险提供了强有力的理论支撑。