柔性机械手系统动力学研究正文大学学位论文.doc

绪论 现代科技的进步促进了机械手的发展，而机械手迅猛发展反过来推动科技不断进步，从上世纪60年代开始经过近五十年的发展，机械手开始应用于各行各业。制造生产采用机械手，不仅大大提高生产率、缩短生产周期，而且保证产品质量、改善工作环境。它的研究涉及机械设计、高等机构学、多体系统动力学、传感与信息融合技术、经典控制理论、计算机技术、人工智能、仿生学等多学科，这些相关学科的发展促进机械手向高精度、高可靠、实时性良好方向发展。 机械手动力学分析主要研究机构动力学，研究一直驱动外力的情况下，利用所建立的动力学方程求解速度、加速度、位移，主要用于计算机仿真分析。早期研究主要为多刚体系统，各部件均视作刚体，忽略部件弹性变形因素，但是随着航空航天、机械工程等领域轻型化、高速化不断发展，考虑运动部件柔性备受关注。柔性机械手作为典型多柔体系统广泛用于研究。其动力学分析研究内容是考虑运动过程中关节和连杆的柔性效应带来的动力学效应，主要研究目的有两点：一建立更准确反映实际物理系统动力学模型；二设计相应控制策略抑制柔性机械手运动过程因受到驱动力、惯性力、重力作用下产生的变形和振动，保证机械手末端位姿精度和准确运动轨迹。 针对柔性机械手动力学建模问题，有Lagrange方程方法、Kane方法、旋转代数法、Newton-Euler方法等，对几个动力学建模方法分析对比，指出各种方法优缺点，揭示不同建模存在问题。在考虑系统柔性的前提下，讨论其发展趋势，包含柔性体在内的多体系统。 1 国内外应用及发展 1.1 国内外机械手领域发展趋势 机械手是自动控制、可重复编程、在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。按固定程序进行抓取、装配、搬运，具有高负载自重比、低能耗、低成本，大的操作空间、高速操作能力，追求多种指标（速度、能量、动力学特性）的最佳。 表1-1柔性机械手应用 Tab.1-1Flexible manipulator application 机械手 应用 国内 机床加工、铸锻、热处理 国外 机械制造行业，目前主要用于机床、横锻压力机的上下料、点焊、喷漆等作业，按指定程序作业 军事设备、医疗仪器、安装设备、家庭体力、航 空航海、国防核工业、汽车制造业、家电半导体行业、 机械手应用 化肥和化工、食品和药品的包装、精密仪器和军事、冲压 铸、锻、焊接、热处理、机械制造、电镀、喷漆、装配、 轻工业、交通运输业 柔性机械手国外发展状况： 性能提高(高速度/精度、高可靠性、便于操作/维修)，价格不断下降 模块/可重构化。Eg:关节模块包含伺服电机、减速机、检测系统，这三种模块有机结合使用，重组方式构造关节连杆模块制造机械手整机，现在国内外均有模块化装配机械手产品流向市场。 四化（高精、高速、多轴、轻量），控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，利于标准化、网络化，集成度提高，控制柜日见小巧，采用模块化结构，提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 注重传感器使用，采用位置、速度、加速度、视觉、力觉传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 虚拟仿真到现实应用。如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。 遥控手更注重人机交互控制系统，能更精准的发挥作用，充分表现机械和知识脑力完美结合。Eg:美国发射到火星上的“索杰纳”机械手。 大范围应用机械化。机械手成为国际研究的热点，大到航空航天、医疗机械、生物研究、矿产探测；小到目前已有儿童玩具，比如小型吊车、娃娃机等。它越来越深入我们的生活。 产品标准、通用、模块、系列化设计。仿行：柔性喷涂/复合机构开发，伺服轴轨迹规划及控制系统开发。比如焊接、搬运、装配、切割等作业。柔性机械手向着四化（前面已提出，此处不赘述）发展[1]。 液压工作介质矿物型液压油，油的使用存在问题：污染环境、易燃易爆、资源浪费，当今大家注重环保节能、可持续发展，在一定程度上限制了液压技术的发展应用。人类环保意识越来越强，科学技术也越来越完善发达，可使用高水基液压以外液体介质。比如纯水介质，近20年来使其在理论以及应用研究方面都得到了持续稳定发展。纯水液压传动优点：无污染、制造原料容易获得，阻染安全性好、温升小，介质经济性好，监测维护成本低，黏度与温度变化不敏感，压力损失少，发热小，传动效率高，流量稳定性好，系统的刚性大。纯水液压传动缺点：泄漏与磨损、气蚀、液压冲击、振动和噪声、材料腐蚀与老化。相信随着新工艺、新材料以及新技术的不断出现和发展，终将会得以解决[3]。 仿人型机械手、机器化机械手 微型机械手、微操作系统 机械手新发展 智能机械手（智能化，多传感器、多控制器，先进的控制 算法，复杂的机电控制系统） 国内机