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第一篇物理运动学小论文范文参考：空间柔性机械臂动力学建模、轨迹规划与振动抑制研究
随着21世纪航天事业的迅速发展以及航天应用需求的日益增加,未来的空间任务越来越多,例如空间站的建设和运营、航天员舱外运动等,这些空间任务都需要空间机械臂来完成.空间机械臂是我国载人航天三期工程的重大关键技术之一,是深入开展载人航天活动必不可少的工具,是支持空间站建设和运营的关键设备,也是空间站四个关键技术攻关项目之一.在空间应用中,由于发射成本的限制、空间能源的限制以及空间操作的要求,轻质量、高载重/自重比、低能耗、操作灵活以及响应快速的多自由度柔性机械臂得到了世界各航天强国的高度重视,应用也越来越广泛.
空间柔性机械臂本质上属于多体系统动力学的范畴,而柔性多体系统动力学的研究也一直是该研究领域的热点和难点之一.基于小变形、小转动假设的柔性多体系统动力学,已经无法满足轻质航天器的精确动力学建模需求,其原因是无法精确描述柔性构件的大变形.将能够精确描述柔性构件大变形的绝对节点坐标法（ANCF）以及描述刚体体的自然坐标法（NCF）结合起来,可以形成研究刚-柔耦合多体系统动力学的绝对坐标（ACB）方法,该方法可以满足轻质航天器的高精度建模需求.空间柔性机械臂的制造多采用柔性关节和柔性臂杆,这两方面柔性因素,将不同程度地引起机械臂的振动问题.同时,机械臂在执行任务之前,轨迹规划都是必须的.如果能将机械臂轨迹规划研究和振动抑制研究有效地结合起来,将具有十分重要的意义,称之为柔性机械臂轨迹规划振动抑制研究.
本文以绝对坐标方法作为柔性机械臂动力学建模的基础,以柔性机械臂的轨迹规划、振动抑制以及控制作为导向,主要做了如下工作：
1)提出了在自然坐标法刚体单元上施加轴向扭矩的简洁公式,该公式可直接应用于基于自然坐标法建模的机械臂关节上施加驱动力矩；对自然坐标法逆动力学进行了分析,阐述了单元固有约束、单元之间约束副等的物理意义,提出了通过旋转副连接的自然坐标法刚体单元之间产生相对运动所需驱动力矩的计算方法,该公式可直接应用于机械臂逆运动学中计算驱动力矩.
2)基于连续介质力学理论和有限元方法,并运用矩阵分析理论,详细推导了绝对节点坐标法三维二节点梁单元的弹性力及其雅可比矩阵,该推导思路可拓展到其它绝对节点坐标法单元的推导.
3)基于实验室自行开发研制的航天结构刚度测试设备,对一定数量的机械臂柔性关节的扭转刚度进行测试,并对测试数据进行了拟合,通过数据拟合结果,提炼出三种典型的柔性关节刚度模型,分别为：线性刚度模型、非线性刚度模型以及含间隙的非线性刚度模型.
4)针对机械臂关节空间“点到点”、“静止到静止”的运动,提出了基于傅里叶余弦级数的轨迹规划函数,该规划函数具有一个冗余系数可供设计,通过设计该系数,可以非常有效地抑制柔性关节机械臂的残余振动；在此基础上,引入粒子群优化算法来优化该系数,可以更加有效地抑制柔性关节机械臂的残余振动.
5)对冗余自由度机械臂的正运动学和逆运动学进行了分析,并着重讨论了逆运动学的算法,以平面三连杆机械臂为例,验证了本文中逆运动学算法的正确性以及高精度性；利用机械臂的冗余自由度,结合粒子群优化算法,通过优化机械臂的自运动,可以保证机械臂末端沿设计轨迹运动的同时,最小化机械臂末端的残余振动.
6)对某空间七自由度机械臂的正运动学和逆运动学进行了详细推导,包括齐次变换矩阵以及雅可比矩阵等,分析了机械臂末端执行器的两种典型运动：直线运动和圆弧运动,并具体给出了末端轨迹规划方法,通过算例验证了该规划方法的有效性,计算得到的关节轨迹、速度以及加速度都非常光滑连续.
第二篇物理运动学小论文样文：并联机器人运动学正解新算法及工作空间本体研究
半个世纪以来,并联机器人得到深入的研究和广泛的应用.但在其研究领域内,包括运动学、动力学、工作空间、奇异特性等方面,仍然存在一些难题.作为21世纪100个交叉科学难题之一,stewart并联机构的正向运动学问题,正在受到日益广泛的关注.并联机器人在实际应用中,如空间探索、海洋开发、原子能应用、军事、抢险救灾、宏微操作等,都需要精准、快速、稳定的运动学位置解(包括逆解和正解)算法,需要经过优化的动力学控制策略和更为精确和详尽的工作空间描述等.深入地研究并联机构的运动学、动力学和工作空间,特别是并联机器人的位置正解,无论在理论方面还是实用方面,都是十分必要的.
并联机器人运动学正解数值算法、动力学和工作空间的研究存在下述问题:①运动学位置正解缺少简便、快速、且保证收敛的统一的数值算法.②不同支链构成的并联机构之间的关系及相互转化方面的研究较少.③缺少包括正解逆解和交叉解的统一算法,缺少对正解输入条件的等效代换的研究,缺少对多并联机构并联系统的研究.④对工作空间的研究不够全面、不够系统,且有关空间利用效率的研究较少.本文主要工作内容包括:①深入地研究并联机构运动学位置正解的数值算法现状,②提出一种适于所有的并联机构的正解数值算法,③提出一种适于并联机构运动学、动力学等的间接解法,④构建并联机构的工作空间简单本体.本文的主要创新点包括:
(1)提出并定义了理想并联机构的概念,提出了非理想并联机构的节肢化分析和综合方法(简称节肢化方法).理想并联机构是支链由广义移动副组成,且支链在动平台、基础平台上的连接点与广义移动副的轴线重合的并联机构.节肢化分析方法将复杂并联机构分解为若干个节肢,包括主节肢、传递节肢、驱动节肢.其中主节肢是一个理想并联机构,可以使用已知的各种有关理想并联机构的知识、方法、程序进行求解.然后把多个节肢串联起来,形成一个整体进行综合研究.所以,节肢化方法包括分析和综合两个方面,是分析和综合的统一.节肢化分析方法是一种间接地求解复杂并联机构的运动学(包括位置解、速度、加速度等)、动力学、工作空间、奇异位形等诸问题的新方法.非理想并联机构的节肢化分析,可以从一个新的角度研究并联机构,可以分享理想并联机构的许多研究成果.
(2)归纳总结出了一种适用于所有并联机构的新的正解数值算法——几何迭代法.几何迭代法是基于并联机构的结构逆解和泛几何相似性假设、以某个初值开始,逐步逼近原始输入,并最终求得并联机构正解的满意解的迭代方法.采用实证和理论分析的方法证实了几何迭代法的可行性、稳定性和可靠性.几何迭代法主要包括泛几何相似性假设、并联机构的数学模型和迭代过程三部分内容.
几何迭代法的泛几何相似性假设包括:①泛几何相似性假设:假设几何迭代的过程中并联机构的图形具有泛几何相似性,泛几何相似性就是并联机构的运动过程中,在两个不同的时刻,并联机构的结构形状具有的相似性.②铰支点图形相似假设:假设动平台各个实际铰支点形成的图形,与迭代过程中各个铰支点形成的图形结构相似,③参考点图形相似假设:假设迭代变量(参考点)与各个迭代铰支点的相对位置和各个真实参考点与真实铰支点的相对位置相似.在迭代过程的每一步,都遵循上述相似性假设.
建立数学模型:首先进行自由度计算和自由度组合分析,然后确定几何逆解公式,最后给定迭代初值和确定理想并联机构的新的结构参数.
迭代计算过程由迭代初值(中立位置的位姿参数)开始,之后用几何逆解公式求出并联机构的结构解(例如上平台铰支点),用原始输入或基本输入(例如,已知的杆长)修正相关铰支点的位置,利用修正后的铰支点坐标,依据相似性假设,综合确定一个新的上平台平面,由新的上平台平面得到一组新的位姿数据,代替原来的迭代初值,判断迭代是否符合精度要求,确定继续迭代或结束程序.
新算法物理模型清晰,编程简单,通用性强,编程工作量小,迭代收敛速度较快,可以达到任意的计算精度,精度可控,稳定、可靠.新算法有一个通用的初值,保证了算法运行的可靠性.新算法彻底避开了非线性方程组,不需要导数运算及Jacobi矩阵的求逆运算.总体上讲,几何迭代法优于牛顿迭代法或与牛顿迭代法相当.
几何迭代法适用于所有的并联机构.几何迭代法可以完成正解、逆解和交叉解的任务.几何迭代法还适于多并联机构的并联系统的求解,用于计算复杂多面体和变几何并联机构.
(3)构建了较为完整的机器人工作空间本体.从本体论的角度分析了机器人的工作空间,扩展了工作空间的概念外延和内涵.
本文研究工作的成效和意义如下:①理想并联机构的概念和节肢化分析方法在理想与非理想并联机构之间架起了一个桥梁,为分析、研究非理想并联机构的运动学、动力学、工作空间、奇异特性等提供了一个新思路.②几何迭代法,彻底避开了非线性方程组,为所有的并联机构的正解提供了一个新的选择.新算法已经成功地应用到多种不同类型的并联机构计算.新算法为使用数值方法求解强非线性方程组提供了一个新思路,为求解交叉解、等效输入解等提供了一个新方法.几何迭代法整体上降低了正解的解算难度,为并联机构的普及和广泛应用奠定了基础.③运用本体论建立的工作空间本体,不但拓宽了机器人工作空间方面的研究领域,而且为机器人的优化设计提供了理论依据.例如,机构的各种扰动空间、机构的空间利用率、空间规整性等新内容,可资应用并有待进一步深入研究.
第三篇物理运动学小论文范文模板：基于虚拟现实的机器人仿真研究
伴随着计算机技术的飞跃,虚拟现实系统的发展及完善在不断地继续,其应用领域也在不断扩大.基于虚拟现实技术开发的机器人临场感仿真实验平台就是最好的应用.本课题由国家高技术研究发展计划（863计划）和国家留学基金委资助,其目的是研究开发基于虚拟现实的机器人临场感仿真实验平台,为其它类型的研究在物理样机上实验之前,提供很好的前期实验平台,在该平台上可任意修改物理参数；开发出的平台因为有很好的程序接口,可进行二次开发；该平台也可用于教学演示.
在此平台上操作者能通过三维交互设备将人手的运动数据映射到虚拟场景中,并对虚拟机器人进行虚拟操作,同时虚拟场景和机器人反馈数据给三维交互设备,产生实时的视觉、力觉、运动觉和听觉效果等,使操作者有种“身临其境”的感觉.对于一个完整的机器人临场感仿真实验平台来说,虚拟操作、捕捉抛物的仿真、晃动轨迹的仿真以及力觉仿真都是不可缺少的重要组成部分,它极大增强了整个仿真过程的沉浸感、逼真感,而要实现机器人的临场感仿真,则需提出和研究新的仿真方法.
本文提出了在OpenGL环境下实现机器人虚拟操作的建模方法,以虚拟三自由度机器人为例进行了应用分析,采用D-H参数法求解正逆运动学方程的同时,通过运动映射将基础坐标系、连杆坐标系与世界坐标系、局部坐标系对应起来,将连杆坐标系的平移、旋转和比例因子缩放映射为模型的平移、旋转和缩放,建立了虚拟三自由度机器人的三维模型；求解机器人运动学方程逆解的过程是复杂的,而且逆解往往是不唯一的,为了求解出正确的逆解,本文采用了代数法和几何法共同求解,使得结果相互印证,完成了虚拟操作的仿真研究.
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提出了机器人捕捉抛物的仿真方法,以虚拟三自由度机器人捕捉虚拟小球为例进行了应用计算,分析解决了抛出虚拟小球的运动跟踪,捕捉点坐标的计算,并且将对固定物的捕捉作为特例进行了分析计算,结合初始位置以及规划的轨迹,得出了实现VS编程仿真的实时插补关节角度；同时对碰撞检测展开了一定的研究,充分利用机器人自身的特点,采用点到点的距离、点到面的距离以及关节角的转动范围来作为开发本仿真平台的主要碰撞检测方法.完成了机器人捕捉抛物的仿真研究.
提出了一种通过单自由度小阻尼自由振动模型来实现机器人末端在虚拟场景中的晃动轨迹的仿真方法,以虚拟三自由度机器人为例详细分析该方法,建立了晃动轨迹的微分方程,通过离散化、逆运动学,得出了实现VS编程仿真的离散型关节轨迹方程,提高了仿真的临场感效果,完成了晃动轨迹仿真的研究.
提出了一种新的机器人力觉临场感仿真方法,以虚拟三自由度机器人为具体实例进行了详细分析,离散化整个仿真过程,充分利用力雅克比,计算出了每个离散点上虚拟机器人末端的力,建立了合理的力反馈计算模型,得出了操作者感觉到的力与关节力矩之间的离散型递推方程,完成了力觉临场感仿真研究.
最后,分析了仿真平台的结构和功能,解决了若干关键内容的实现方法,编程开发了虚拟三自由度机器人临场感仿真实验平台,该平台主要有硬件系统和软件系统组成,其中硬件系统主要有计算机、三维交互设备Falcon、键盘和鼠标构成.软件系统是在计算机上依据仿真模型开发出相应的仿真软件,该软件采用Windows XP操作系统、Visual Studio2008应用程序开发环境、OpenGL图形库和Falcon数据库,结合MFC类库开发,通过Falcon实现人机交互,实现运动信息以及力信息的相互映射.虚拟三自由度机器人的运动信息由计算机和Falcon实时给定和采样计算,对虚拟操作,捕捉抛物、晃动轨迹以及力觉进行了仿真,仿真实验结果有很好的视觉临场感、力觉临场感和听觉临场感,表明了本文算法的有效性,同时也证明了本文的仿真模型已成功应用在了三自由度机器人的临场感仿真平台中.
第四篇物理运动学小论文范例：基于人体运动相似性的仿人机器人运动规划关键技术研究
仿人机器人的机械连杆结构在空间分布上类似于人体躯干与四肢骨骼结构,具备拟人化的双足运动形态与双手处理任务的能力,是人-机器人社会的重要组成部分.仿人机器人运动规划是任务执行与行为决策的基础,其规划方法主要分为基于运动解析方程求解方式与基于人体运动相似性方式.尽管基于运动解析方程的轨迹求解方式具有易于表述与分析的数学特征,并体现出运动轨迹平滑性等优点,但在轨迹自然过渡、复杂动作设计与能量消耗优化上无法与基于人体运动相似性的方法相比.
本文在国家863计划重点项目的子项目“竞技与娱乐多机器人系统”课题资助下,研究了基于人体运动相似性的仿人机器人运动规划关键技术,包括：机器人在相似性双足步行中实现平衡与轨迹跟踪控制,在失稳倒地时最小化地面冲击并在倒地后恢复到相似性运动姿势,自主调整固定的人体关节轨迹以适应目标环境改变.主要内容如下：
首先,完善了仿人机器人相似性运动系统,从图像捕捉与处理、相似性特征处理、运动约束与优化等方面阐述了相似性运动规划过程,分析了正向运动学与逆向运动学解算以及运动模型简化与重定向设计方法,定义了基于时空控制的相似度,提出了关键姿势判定与提取、运动协调与同步控制以及关键姿势树状结构生成等方法,对运动稳定性判据方法进行了对比,分析了相似性运动中碰撞形式及其原因,阐述了防碰撞约束、落地脚补偿以及关节角度控制等.
其次,以7连杆双足步行机器人为例,研究了相似性运动中的平衡与轨迹跟踪控制.分析了双足步行运动学与动力学特性,对相似性运动的关键姿势与基本子相施加运动学、子相衔接与物理条件等约束,建立了基于关节力矩的拉格朗日动力学模型,由机器人雅可比矩阵构建了双足地面接触控制方程,定义仿人机器人动力学模型为连续时间线性时不变系统,引入带观测器的状态反馈控制器以跟踪运动轨迹,从三维倒立摆角度分析步行平衡控制,并由无限时间线性二次型调节器建立运动参数误差最小化目标函数,实现轨迹跟踪控制.
再次,研究了仿人机器人相似性失稳倒地时的动作保护与恢复.分析了倒地过程的动力学特性并施加了运动学与物理条件等约束,引入参数化控制方法优化触地点位置,并通过强化技术实现时间变换,将指标泛函求取原时间点的导数转换在新的时间点上求取参数的导数,解决了机器人倒地时触地点位置的寻优问题,使其所受的地面冲击最小、触地位置与倒地稳定性最优；采用可变种群规模的遗传算法对机器人触地后的相似性运动姿势恢复进行了优化.
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最后,以仿人机器人相似性上台阶运动为例,研究了机器人自主调整固定人体关节轨迹以适应可变目标环境.对机器人相似性上台阶运动过程施加了运动学与物理条件等约束,提出了粒子群分层强化矢量位置择优算法,通过交叉择优操作获得精英粒子,在粒子进化调整策略中选择惯性权重调整策略,并基于嵌入式单目视觉系统采集台阶宽度与高度等参数,用于仿人机器人的膝关节、踝关节轨迹调整上,实现了具有目标环境可变的相似性运动.
第五篇物理运动学小论文范文格式：数据和模型混合驱动的虚拟人运动生成与控制技术研究
针对当前虚拟人特定动作生成所面临的工作繁杂、可控性和适应性差等难题,本文采用数据和模型混合驱动的策略,分别从人体运动系统的建模仿真方法、考虑全身姿态变化的虚拟人抓取、操作类动作快速生成、虚拟人关键帧姿态的自动交互生成以及虚拟人全身运动的多优先级编辑合成与交互控制等方面对虚拟人的运动生成与控制技术进行了深入研究,提出了相应的控制策略和模型,并对传统的算法做了改进,主要研究内容概括如下：
(1)论文首先在第一章对虚拟人运动生成与控制技术的国内外研究现状进行了概述,对不同方法的优缺点进行了分析、比较,提出采用数据和模型混合驱动的策略进行虚拟人的运动生成与控制技术研究,以期在虚拟人动作的逼真性、可控性和灵活性之间取得最佳地折衷.然后,在第二章对人体运动系统的建模仿真方法进行了深入研究,为后续工作建立数学基础.
(2)对于考虑虚拟人全身姿态变化的抓取、操作类动作姿态快速生成问题,本文提出将姿态样本库和解析逆向运动学算法相结合,上肢姿态由解析逆向运动学算法在线实时求解,全身的其余关节姿态直接由事先离线构建的姿态样本生成,保证了算法的实时交互性.对于7自由度的上肢关节链肘圆问题,提出了腕关节旋转量最小的优化指标,将优化求解和定向搜索相结合实现了上肢关节姿态的快速计算生成,并在求解过程中融合了碰撞检测及关节旋转角度的生理范围约束判断,确保动作姿态的物理逼真.在姿态样本库的离线设计实现时,提出基于肩关节的高度变化进行姿态样本的间隔采样与设计生成,给定目标点信息后,利用姿态库中各姿态样本的肩关节高度信息实现了对应所需姿态样本的快速搜索匹配.整个抓取、操作类动作姿态生成过程最显著的优点为实时性高,可以方便地应用于游戏、操作训练等交互应用领域.
(3)对于虚拟人关键帧姿态的自动交互生成问题,提出了将姿态样本库和带优先级的逆向运动学(PIK,Prioritized Inverse Kinematics)算法相结合,首先根据任务约束由姿态样本库生成最终理想姿态的估计值并用作PIK算法所需的初始参考姿态,然后利用PIK算法对所有任务约束按优先级顺序进行逆向运动学(IK,Inverse Kinematics)迭代求解,实现全身姿态的进一步优化生成.既克服了传统基于数据样本的IK算法只能生成与原有姿态样本差别不大的姿态的限制,又可适度保证最终姿态结果的逼真自然性.提出了参数化姿态拼接技术用于虚拟人全身姿态的估计生成,先根据不同的任务约束对全身关节进行分组,然后通过最近邻参数化插值方法实现了不同关节组的姿态求解,保证拼接合成的全身姿态与最终理想的全身姿态具有全局相似性.随后以姿态估计值为初始参考姿态,利用PIK算法实现全身姿态的进一步优化求解.为了保证最终姿态结果的静态平衡,在PIK算法的迭代计算过程中,提出了一种新的平衡约束迭代求解策略,将静态平衡约束和其它任务约束分层单独求解,解决了平衡任务约束的优先级设置问题,并可确保最终姿态结果的静态平衡性.将基于姿态样本库的参数化姿态拼接技术和PIK算法相结合,一方面克服了传统参数化插值方法要求所有动作姿态样本具有相同任务约束的限制,姿态样本不需要与各种任务约束进行精确匹配,并可大幅减少所需姿态样本的数量；另一方面解决了PIK算法的初值选取问题,相应地减少了PIK算法所需的迭代求解次数,提高了求解计算效率,为虚拟人全身姿态的自动交互生成提供了一种实用、高效的算法思路.
(4)为了使运动捕捉数据驱动的虚拟人能够根据用户的各种交互控制输入及外界不可预料的小幅动态物理交互,自动生成各种逼真的反应性动作,提出了一种基于各种任务约束的冗余空间,在加速度层次上的、具有任意多个优先级的虚拟人全身运动编辑合成与交互控制算法.给定某一参考动作序列后,算法可根据用户的各种交互控制输入及其相互之间的优先级顺序,生成期望的关节加速度信息,并通过调整期望关节加速度的方式对运动改编结果进行了在线的动态平衡修正.在对原有动作数据进行多优先级运动改编过程中,引入了选择矩阵的概念,使本文所提出的运动数据编辑合成与交互控制算法可以对笛卡尔任务空间和关节空间中的高层任务约束进行统一处理.当虚拟人受到外界的小幅动态交互作用后,由于多优先级运动改编算法在加速度层次上实现,可以方便地基于期望的关节加速度信息,利用考虑虚拟人与外界交互作用力的逆向动力学算法进行动力学跟踪控制器的构建,从而通过动力学仿真实现反应跟随性动作生成.在动力学仿真过程中,提出将交互作用力的优化求解方法和近似估算方法相结合,既提高了动力学仿真的计算效率,又可保证动力学跟踪控制器的精度.当动态物理交互作用消除后,为提高求解计算效率,系统需重新转入单纯的运动学改编,提出了一种简便的运动学改编与动力学仿真之间的过渡处理方法.加速度层次上的多优先级运动编辑合成与交互控制算法实现了运动学约束处理和动力学仿真的无缝衔接,为虚拟人的运动控制提供了一个统一的算法框架.
(5)最后进行了虚拟人运动生成与控制仿真集成软件环境原型系统开发,以现有的虚拟人应用开发软件为基础,根据其优缺点进行了集成开发,整个软件环境划分为前台界面层、中间数据层和后台的仿真计算层,以广泛应用的商业软件Poser和DI_Guy软件平台分别作为交互界面和可视化渲染输出,方便了相关应用系统开发.随后以某导弹武器装备模拟操作训练系统为应用实例,进行了虚拟人应用模块的开发,对本文所提出的模型算法和集成软件环境原型系统进行了实例验证.
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物理运动学小引用文献:
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