钱炳锋机械多体系统动力学..ppt

机械多体系统动力学 报告人: 钱炳锋 内容提要 一、 多体系统动力学发展概况  超长的双臂设计使它更为灵活，它可以执行诸如拆除或安装空间站表面小部件等高精度工作。同时，还装备上了光源、视频设备、1个工具平台和4个工具架。 机械多体系统定义 只要机械系统中所包含的 部件超过一个，就可以认 为其是一个多体系统(multi-body system，简称为MBS)。 根据北大西洋公约组织在1993年召开的高级技术研讨会所作的定义，把多体系统界定为刚性和柔性的多体系统。 现在较为公认的定义是：以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统称为多体系统。汽车、人体、工业机器人和航天器是最为常见的多体系统。 多体系统动力学 1. 正向动力学，已知施加的关节力和力矩，求解关节加速度； 2. 反向动力学，已知系统轨迹（位置、速度和加速度），计算关节力和力矩； 3. 混合动力学，对正反向动力学问题的综合。 传统动力学建模方法 经典的动力学建模方法 Newton-Euler隔离体方法 Lagrange方法 罗伯森-维滕堡方法 凯恩（Kane）方法 旋量方法和变分方法。 物理上这些方法是完全等价的，然而依据各种建模方法所设计的算法的计算效率并不相同。Lagrange动力学算法的效率是O(N4)。 二、递推多体系统动力学 1、空间算子代数，铰接体惯量和李群递推算法 2、一种统一的递推算法 Rodriguez与Jain的空间算子代数(Spatial Operator Algebra，SOA) 动力学建模方法 。 Featherstone提出的铰接体惯量算法(Articulated Body Algorithm，ABA) 李群李代数(Lie Groups and Lie Algebra)符号表示的系统动力学建模算法 李泽湘在《机器人操作的数学导论》一书中，用李群李代数符号描述了机器人的运动学和动力学，对机器人手的运动学和控制问题和非完整约束问题进行了详细的阐述。  递推动力学优点 1 递推的机械多体系统动力学算法克服了传统动力学方法的缺陷，形式简洁、计算效率高。 2 递推的机械多体系统动力学算法适用于机械系统仿真、控制和设计。 三种O(N)递推算法的特点比较 理论计算量与实际计算时间 O(N3)方法与O(N)方法的实际计算时间比较 3.1伴随算子 3.2树形系统的正向动力学递推示意图 3.3自由漂浮基座空间系统转化为固定基座系统示意图 3.4改进的递推牛顿－欧拉方法 算法 3.5柔性多体系统动力学的有限段方法和有限元方法 3.6多体系统动力学软件系统与控制仿真 基于Matlab的数值计算系统与可视化仿真 基于VRML语言的可视化仿真 基于动力学的力位移混合控制仿真 运动控制 动力学控制 PID与计算力矩法比较 PID与计算力矩法比较 四、未来虚拟样机的研究方向 递推动力学方法的效率比传统的方法要高，但是其一个重要的基础即坐标投影仍然耗费了大量的计算时间，而若采用与坐标无关的表示方法——几何代数方法(Geometric Algebra)，一定能够极大地提高计算效率缩短计算时间，但几何代数方法的研究现在还不成熟。几何代数方法是多体系统动力学的一个研究发展方向。 四、未来虚拟样机的研究方向 四、未来虚拟样机的研究方向 Modelica VB.NET与mathematica的连接机制 基于Mathematica的数值计算系统与可视化仿真 Matlab与Mathematica的连接总体设计框图 计算力矩法原理框图 PID的关节位置曲线与期望曲线 计算力矩法的关节位置曲线与期望曲线 PID的关节速度曲线与期望曲线 计算力矩法的关节速度曲线与期望曲线 多体系统动力学应用于机械产品的优化设计，一定能够减少能源损耗和带来巨大的经济效益。传统的机械设计是依靠工程设计人员多年积累的设计经验，以及与其它可类比的参考数据进行产品设计，主要考察其静力学。这样设计出来的产品往往制造成本较高，产品性能粗框，不能满足现代社会对产品高质量、高精度和高技术的要求。利用多体系统动力学可以得到系统整个运行过程中所有的参数，这个全息的数据对于系统的产品设计和改进提供准确数据支持。 * * 动力学建模实例与比较 多体系统动力学发展概况 未来虚拟样机的研究方向 1 2 3 4 递推建模方法的优势 柔性多体系统动力学研究 总结与展望 Special Purpose Dexterous Manipulator (SPDM)由加拿大航天局 耗资2.09亿美元制造。 Degrees of freedom: 15