基于模块结合面微观接触机理的模块化机器人动态特性分析与研究

Compared with traditional robots, modular robot system is with many advantages and benefits, such as versatility, reconfigurability, low-cost, fault-tolerance and self-repair，modularity has become one of the important trend of the development of robots. However, the modular robot has also exposed some inherent defects in the process of application, which cause the precision and stiffness performance of the modular robot are lower than the traditional robots. From the working mechanism study of the module joint surface, the project employs further study of the impact of module joint surface on static and dynamic performances of modular robot. Thereby a complete analysis of the dynamic characteristics of modular robots is established. Firstly, form the microcosmic perspective, a module joint surface dynamic model, in which the module joint surface is equivalent to a kind of virtual flexible medium, is proposed. Then, combining the shortcoming and the insufficiency of traditional kineto-elastodynamic analysis method and flexible multibody dynamics, focusing on the influence by module joint surfaces, a new dynamic modeling method is proposed, which is suitable for the nonlinear analysis of modular robot rigid flexible coupling systems. Finally, by introducing the theory of nonlinear dynamics, the influence of module joint surface on modular robot rigid flexible coupling systems is analyzed. Research results of this project can lay a solid theoretical foundation for enhancing the comprehensive performance, high-precision control and engineering applications of modular robot.

与传统机器人相比，模块化机器人具有多功能、可重构、成本低、装拆方便和便于维护等优点，已成为机器人发展的重要趋势之一。然而由于众多模块结合面的存在，造成模块化机器人精度、刚度等指标均低于传统机器人。本项目从模块结合面工作机理出发，深入研究模块结合面对模块化机器人静动态性能的影响，建立一套完整的模块化机器人动态特性分析方法。首先，从微观角度提出一种将模块结合面等效为一种虚拟柔性介质的机器人模块结合面动力学模型；然后结合传统运动弹性动力学和柔性多体系统动力学等方法的缺点与不足，重点考虑模块结合面的影响，提出适合于模块化机器人刚柔耦合机构非线性分析的动力学建模新方法；最后，通过引入非线性动力学理论，分析模块结合面对模块化机器人刚柔耦合机构的非线性动态特性的影响。本项目的研究成果可为模块化机器人系统的综合性能提升、高精度控制和工程应用的推广等奠定坚实的理论基础。

本项目针对模块化机器人精度、刚度等指标均低于传统机器人这一问题，重点开展模块结合面对模块化机器人静动态性能的影响的分析与研究。主要研究内容包括基于微观接触理论的模块化机器人建模方法、模块化机器人刚柔耦合机构工作特性分析研究、模块化机器人构型优化设计方法研究、新型机器人模块研制、以及模块化机器人控制与应用技术研究等。本项目从微观角度提出一种将模块结合面等效为一种虚拟柔性体的机器人模块结合面动力学模型，同时以模块化机器人刚柔耦合动力学为基础，提出一种基于模块结合面虚拟介质的刚柔耦合模块化机器人工作特性分析方法，该方法可为模块化机器人优化设计以及轨迹规划与控制提供指导。同时，为扩大模块化机器人的应用领域，推进模块化机器人的普及，开展了机器人相关应用技术研究，包括新型机器人模块研制、传感检测、控制规划、自动编程、打磨应用等技术的研发。本项目的研究成果可为模块化机器人系统的综合性能提升、高精度控制和工程应用的推广等奠定坚实的理论和应用基础。