Efficient Dynamic Simulation of Robotic Mechanisms

شبیه سازی دینامیکی کارآمد مکانیزم های رباتیک الگوریتم های محاسباتی کارآمدی را برای شبیه سازی دینامیکی سیستم های رباتیک زنجیره بسته ارائه می دهد. به طور خاص، شبیه‌سازی زنجیره‌های بسته منفرد و مکانیسم‌های زنجیره بسته ساده به تفصیل بررسی شده است. زنجیره های بسته منفرد در بسیاری از کاربردها، از جمله عملیات مونتاژ صنعتی، اصلاح خطرناک و اکتشاف فضایی رایج هستند. مکانیسم‌های ساده زنجیره بسته شامل پیکربندی‌های آشنا مانند دستکاری‌کننده‌های متعددی است که بار مشترک را حرکت می‌دهند، دست‌های ماهرانه و وسایل نقلیه چند پا. شبیه‌سازی دینامیک کارآمد این سیستم‌ها اغلب برای آزمایش یک طرح کنترل پیشرفته قبل از اجرای آن، برای کمک به اپراتور انسانی در طول عملیات از راه دور یا بهبود عملکرد سیستم مورد نیاز است.
در رابطه با الگوریتم‌های شبیه‌سازی پویا، الگوریتم‌های کارآمد نیز برای محاسبه فضای مشترک و ماتریس‌های اینرسی فضای عملیاتی یک دستکاری‌کننده مشتق شده‌اند. ماتریس اینرسی دستکاری‌کننده جزء مهمی از هر فرمول دینامیک ربات است و نقش مهمی در شبیه‌سازی و کنترل دارد. محاسبه کارآمد ماتریس اینرسی برای اجرای بلادرنگ الگوریتم‌های دینامیک ربات بسیار مطلوب است. چندین فرمول جایگزین برای هر ماتریس اینرسی ارائه شده است.
کارایی محاسباتی در الگوریتم با چندین روش از جمله توسعه فرمول‌های بازگشتی و استفاده از تبدیل‌های فضایی کارآمد و ریاضیات به دست می‌آید. همه الگوریتم ها مشتق شده و در قالب جدولی مناسب با استفاده از یک شکل تغییر یافته از نماد فضایی، یک نماد برداری شش بعدی که ارائه و تجزیه و تحلیل پویایی چند بدنه را بسیار ساده می کند، ارائه شده اند. تعاریف اساسی و اصول اساسی مورد نیاز برای استفاده و درک این نماد ارائه شده است. اجرای تحولات فضایی کارآمد نیز با جزئیات مورد بحث قرار گرفته است. به عنوان وسیله ای برای ارزیابی کارایی، تعداد عملیات اسکالر (ضرب و جمع) مورد نیاز برای هر الگوریتم پس از استخراج آن جدول بندی می شود. مشخص کردن پیچیدگی محاسباتی هر الگوریتم به این ترتیب، مقایسه با سایر الگوریتم‌ها را آسان و راحت می‌کند.
الگوریتم های ارائه شده در شبیه سازی دینامیکی کارآمدمکانیسم های رباتیک از جمله کارآمدترین الگوریتم های دینامیک ربات موجود در حال حاضر هستند. علاوه بر کارایی محاسباتی، تاکید ویژه ای نیز بر حفظ بینش فیزیکی تا حد ممکن در طول استخراج الگوریتم می باشد. دنبال کردن و درک الگوریتم‌ها آسان است، چه خواننده یک مبتدی رباتیک باشد یا یک متخصص باتجربه.

Efficient Dynamic Simulation of Robotic Mechanisms presents computationally efficient algorithms for the dynamic simulation of closed-chain robotic systems. In particular, the simulation of single closed chains and simple closed-chain mechanisms is investigated in detail. Single closed chains are common in many applications, including industrial assembly operations, hazardous remediation, and space exploration. Simple closed-chain mechanisms include such familiar configurations as multiple manipulators moving a common load, dexterous hands, and multi-legged vehicles. The efficient dynamics simulation of these systems is often required for testing an advanced control scheme prior to its implementation, to aid a human operator during remote teleoperation, or to improve system performance.
In conjunction with the dynamic simulation algorithms, efficient algorithms are also derived for the computation of the joint space and operational space inertia matrices of a manipulator. The manipulator inertia matrix is a significant component of any robot dynamics formulation and plays an important role in both simulation and control. The efficient computation of the inertia matrix is highly desirable for real-time implementation of robot dynamics algorithms. Several alternate formulations are provided for each inertia matrix.
Computational efficiency in the algorithm is achieved by several means, including the development of recursive formulations and the use of efficient spatial transformations and mathematics. All algorithms are derived and presented in a convenient tabular format using a modified form of spatial notation, a six-dimensional vector notation which greatly simplifies the presentation and analysis of multibody dynamics. Basic definitions and fundamental principles required to use and understand this notation are provided. The implementation of the efficient spatial transformations is also discussed in some detail. As a means of evaluating efficiency, the number of scalar operations (multiplications and additions) required for each algorithm is tabulated after its derivation. Specification of the computational complexity of each algorithm in this manner makes comparison with other algorithms both easy and convenient.
The algorithms presented in Efficient Dynamic Simulation of RoboticMechanisms are among the most efficient robot dynamics algorithms available at this time. In addition to computational efficiency, special emphasis is also placed on retaining as much physical insight as possible during algorithm derivation. The algorithms are easy to follow and understand, whether the reader is a robotics novice or a seasoned specialist.