[论文解读] Internal joint forces in dynamics of a 3-PRP planar parallel robot

Stefan Staicu, Damien Chablat|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2012

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于计算3-PRP平面并联机器人完整动力学特性的递归矩阵公式，利用虚功原理求解逆向动力学问题。主要贡献在于推导出内部关节力和执行器输入功率，仿真结果验证了其对平台运动和运动学构型的依赖性。

ABSTRACT

Recursive matrix relations for the complete dynamics of a 3-PRP planar parallel robot are established in this paper. Three identical planar legs connecting to the moving platform are located in the same vertical plane. Knowing the motion of the platform, we develop first the inverse kinematical problem and determine the positions, velocities and accelerations of the robot. Further, the inverse dynamic problem is solved using an approach based on the principle of virtual work. Finally, some graphs of simulation for the input powers of three actuators and the internal joint forces are obtained.

研究动机与目标

• 开发一种用于3-PRP平面并联操作臂完整动力学建模的递归矩阵方法。
• 求解逆向运动学问题，并确定平台的位置、速度与加速度轨迹。
• 利用虚功原理求解逆向动力学问题，以实现关节力的精确计算。
• 在不同运动轨迹下对三个执行器的输入功率与内部关节力进行仿真与分析。
• 为3-PRP并联机器人的动态控制与结构设计提供基础。

提出的方法

• 建立递归矩阵关系，基于平台运动计算3-PRP机器人的运动学特性。
• 应用虚功原理推导逆向动力学模型，并计算内部关节力。
• 采用相同平面连杆结构并垂直排列，以确保动态行为的对称性。
• 使用系统化的递归算法对机器人动力学进行建模，沿运动链传播运动与力。
• 在已知平台轨迹下对系统进行仿真，以计算执行器输入功率与内部力。
• 通过关节力与功耗的图形化仿真输出验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用递归矩阵关系对3-PRP平面并联机器人的完整动力学行为进行建模？
• RQ2 在规定平台运动下，机器人连杆内部的关节力如何分布？
• RQ3 三个执行器所需的输入功率如何随平台轨迹与构型变化？
• RQ4 虚功原理在高效求解该机器人逆向动力学问题中起到何种作用？
• RQ5 3-PRP机器人的动力学特性如何影响其执行器设计与控制策略？

主要发现

• 递归矩阵公式可高效计算3-PRP机器人结构中所有运动学与动力学变量。
• 通过虚功原理准确计算出内部关节力，确保了动力学平衡。
• 仿真结果揭示了在不同平台轨迹与姿态下，三个执行器的功耗呈现显著差异。
• 内部关节力随平台加速度与角速度显著变化，表明在某些构型下存在高动态载荷。
• 该方法为类似平面并联操作臂的动力学分析提供了一个可扩展的框架。
• 结果表明，递归矩阵动力学方法在3-PRP机器人实时控制与结构优化中具有可行性。