CN114083540B - 一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法，其包括将待测的金属棒放置在两个转速相同、方向相反的圆柱面上运动；根据金属棒初始位置x₀、初速度v₀、金属棒长度L构建金属棒的质心离原点距离模型x；根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将知金属棒的质心离原点距离模型进行修正，获得金属棒的运动模型。本发明利用增加摩擦面相对转速这一变量修正摩擦系数模型，进而获得基于类阻尼现象的产生的运动模型。本模型增加相对转速后更加贴合实际，能够提高黏驱动的性能、避免黏滑驱动过程中特有的回带和扰动。

Description

一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法

技术领域

本发明涉及运动模型领域，尤其涉及一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法。

背景技术

随着微纳米技术的迅猛发展，研究对象不断微细化，微操作机器人成为人们探索微观世界不可缺少的重要工具。而微小零件的加工、调整和检测，微机电系统的装配作业等都对摩擦力的要求极高。

以摩擦理论为基础的典型驱动方式为惯性冲击原理和黏滑驱动原理。惯性冲击原理是利用压电陶瓷晶体快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的一种微型驱动机构，它具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易微小化和精确定位等优点。目前在自动化装配、微加工、细胞操作等领域都因其结构微小和易定位精确而被广泛应用。但是基于惯性冲击原理的驱动器加工难度较高。近些年许多研究表明，利用黏滑现象可以产生可控的微小位移。黏滑驱动方式以其结构简单、驱动方便、高分辨率和能耗低成为微操作器中的理想驱动模式。以该驱动方式为原理的微机器人、微操作器等也成为研究热点。但如何利用黏滑驱动原理提高黏驱动的性能、避免黏滑驱动过程中特有的回带和扰动等问题依旧没有被克服。

发明内容

本发明提供一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法，以克服黏滑驱动过程中特有的回带和扰动等等技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测的金属棒放置在两个转速相同、方向相反的圆柱面上运动；

步骤2、根据金属棒初始位置x₀、初速度v₀、金属棒长度L构建金属棒的质心离原点距离模型x；

步骤3、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将知金属棒的质心离原点距离模型进行修正，获得金属棒的运动模型；

步骤4、将金属棒的运动模型输入到微机电系统中用于控制机器人作业指令。

进一步的，所述步骤2构建金属棒的质心离原点距离模型具体为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向内时，所述金属棒的质心离原点距离模型x为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向外时，所述金属棒的质心离原点距离模型x为：

其中，μ₁表示金属棒相对于圆柱面的摩擦系数，t表示圆柱面的运动时间。

进一步的，所述步骤3具体为：

步骤3.1、构建圆柱面摩擦系数与当前转速ν₁的关系模型μ₂，所述圆柱面摩擦系数与转速的关系模型μ₂公式为：

其中，a、b、c和d为由材料性质和载荷决定的关系模型设定参数；

步骤3.2、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将金属棒的质心离原点距离模型结合圆柱面摩擦系数与转速的关系模型μ₂进行修正，修正后的模型为：

其中，表示金属棒的加速度值，m表示金属棒的质量，/>表示金属棒相对于圆柱面的相对运动速度。

有益效果：本发明利用增加摩擦面相对转速这一变量修正摩擦系数模型，进而获得基于类阻尼现象的产生的运动模型。本模型增加相对转速后更加贴合实际，结果更为精准，更加贴合实际，能够提高黏驱动的性能、避免黏滑驱动过程中特有的回带和扰动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于类阻尼现象的运动模型构建方法流程图；

图2a为应用本方法转速为60转/分钟时金属棒实验测的运动轨迹图；

图2b为60转/分钟时金属棒理论轨迹图；

图3a为应用本方法转速为90转/分钟时金属棒实验测的运动轨迹图；

图3b为90转/分钟时金属棒理论轨迹图；

图4a为应用本方法转速为120转/分钟时金属棒实验测的运动轨迹图；

图4b为120转/分钟时金属棒理论轨迹图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法，如图1，包括以下步骤：

步骤1、将待测的金属棒放置在两个转速相同、方向相反的圆柱面上运动；

步骤2、根据金属棒初始位置x₀、初速度v₀、金属棒长度L构建金属棒的质心离原点距离模型x；

步骤3、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将知金属棒的质心离原点距离模型进行修正，获得金属棒的运动模型；

步骤4、将金属棒的运动模型输入到微机电系统中用于控制机器人作业指令，具体的，利用金属棒的运动模型控制机器人作业指令，机器人作业指令包括机器人直线动作、旋转动作、圆弧动作、定位指定、抓取动作、移动速度等；增加相对转速后更加贴合实际，结果更为精准，更加贴合实际，可使微小零件的加工、调整和检测提升精度，定位点精确，同时机器人驱动更加准确。

在具体实施例中，所述步骤2构建金属棒的质心离原点距离模型具体为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向内时，所述金属棒的质心离原点距离模型χ为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向外时，所述金属棒的质心离原点距离模型χ为：

其中，μ₁表示金属棒相对于圆柱面的摩擦系数，t表示圆柱面的运动时间。

在具体实施例中，所述步骤3具体为：

步骤3.1、构建圆柱面摩擦系数与当前转速v₁的关系模型μ₂，所述圆柱面摩擦系数与转速的关系模型μ₂公式为：

其中，a、b、c和d为由材料性质和载荷决定的关系模型设定参数；

步骤3.2、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将金属棒的质心离原点距离模型结合圆柱面摩擦系数与转速的关系模型μ₂进行修正，修正后的模型为：

其中，表示金属棒的加速度值，m表示金属棒的质量，/>表示金属棒相对于圆柱面的相对运动速度。

由图2a、2b、3a、3b、4a、4b可知，经过修正后的实验轨迹与理论轨迹锲合度较高，证明本方法提出的运动模型合理。

在具体实验中，材料性质和载荷决定的常数如表1所示。

表1

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于类阻尼现象的运动模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待测的金属棒放置在两个转速相同、方向相反的圆柱面上运动；

步骤2、根据金属棒初始位置χ₀、初速度v₀、金属棒长度L构建金属棒的质心离原点距离模型x；

步骤3、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将金属棒的质心离原点距离模型进行修正，获得金属棒的运动模型；

步骤4、将金属棒的运动模型输入到微机电系统中用于控制机器人作业指令；

所述步骤2构建金属棒的质心离原点距离模型具体为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向内时，所述金属棒的质心离原点距离模型x为：

根据库伦摩擦定率可得，当两个圆柱面运动相对方向向外时，所述金属棒的质心离原点距离模型x为：

其中，μ₁表示金属棒相对于圆柱面的摩擦系数，t表示圆柱面的运动时间；

所述步骤3具体为：

步骤3.1、构建圆柱面摩擦系数μ₂与当前转速v₁的关系模型，所述圆柱面摩擦系数μ₂与转速的关系模型公式为：

其中，a、b、c和d为由材料性质和载荷决定的关系模型设定参数，μ₂为圆柱面摩擦系数；

步骤3.2、根据圆柱面两个轮相对于金属棒的相对速度不同，将金属棒的质心离原点距离模型结合圆柱面摩擦系数与转速的关系模型μ₂进行修正，修正后的模型为：

其中，表示金属棒的加速度值，m表示金属棒的质量，/>表示金属棒相对于圆柱面的相对运动速度。