复杂构形机械臂多维振动性能概述.docVIP

　　复杂构形机械臂多维振动性能概述 第1章绪论 1.1课题的研究背景和意义 近年来，机械臂在工业，航天，军事等诸多领域得到了广泛的应用。尤其在工业制造方面，功能各异的机械臂被应用于自动搬运与装配等部门。早期的机械臂通常设计成刚性结构，然而随着机械臂应用范围的不断扩大，机械臂性能正不断向着轻型化、大型化、髙速化的方向发展，传统机械臂刚性结构设计已经很难满足优化性能的要求。为了提高机械臂操作性和灵活性，并减轻机构质量、降低能源消耗，如今许多机械臂更倾向于采用柔性轻质结构，例如航天器中的细长机械臂，空间站中的大型可展天线，某些工业机器人的操作臂等。但相比于传统机械的刚性机械臂，柔性轻质机械臂由于刚度小、质量轻，在运动过程中极易产生变形与振动，进而影响机械性能。为解决上述矛盾问题，越来越多的研究者开始关注柔性机械臂的研究，并将其作为其他机械装置动力学研究的辅助部分。机械臂是很多机械装置的重要组成部分，例如工程机械中塔式起重机的吊臂、凿岩机的钎杆、太空中的可展彬架、可展天线等。上个世纪八十年代以后，含柔性机械臂的机械装置被广泛地应用于机械工程、航空航天等领域。在实际环境中，外界复杂激励很容易引起柔性机械臂的弹性变形和系统的耦合振动，进而影响定位精度。例如在太阳能帆板轴、航天器天线杆等装置中，当飞轮及陀螺等高速旋转部件的中、高频扰动在航天器梁式结构中传播时，不仅会引起结构抖动，而且考虑环境阻尼较小，此抖动将长时间持续存在，从而影响太阳能帆板、天线等高精度敏感设备的正常工作，更甚者可能导致设备失稳。柔性机械臂的弹性变形对于系统运动和末端执行器位姿的影响，促使学者们展开了对柔性机械臂动力学的研究，其中柔性机械臂建模技术、结构优化设计、振动特性分析、控制策略设计等是近年来柔性机械臂领域讨论的重要议题。 .. 1.2柔性机械臂动力学建模方法 柔性机械臂研究的最终目的是解决振动控制问题，而振动控制的研究基础是动力学模型的建立，因此从某种意义上讲，目前柔性机械臂研究的核心问题是动力学模型的建立⑴。多连杆柔性机械臂是一个复杂的动力学系统，分析其动力学常用的方法有Lagrange-Euler法、Newton-Euler法等。把力学中的Lagrange-Euler方程直接用于柔性机械臂的分析，可以得到系统动力学显式方程，不仅可以用于分析和设计新的机械臂系统关节变量控制策略，也可以在小范围内解决动力学正问题和逆问题。但是，该方法的计算量很大，尤其是柔性机械臂数目较多时，如果不做简化，很难用于实时控制。Newton-Euler法釆用牛顿第二定律和欧拉公式描述力和力矩与运动诸元的关系，方程推导简单，但是结果包含大量的叉积形式，并且是递推方程，而且由于方程不闭合，很难用于设计和分析合适的控制器。目前，对于柔性机械臂动力学方程的建立，研究者一般是基于一定假设，利用Lagrange方程和Hamilton原理，建立偏微分-积分方程组，然后对方程组进行离散化，以得到有限维度的常微分方程组，并用常微分方程组的数值解来近似代替原系统的响应。离散化方法优劣直接关系到方程的精确程度，目前常用的离散化方法大致有FEM (有限元）法、AMM (假设模态）法、有限段法和集中质量法等。参阅国内外文献发现，在当前的研究中，应用较多的离散化方法主要是假设模态法和FEM法（有限元)，并且假设模态法常在主动控制的设计中使用，而FEM法（有限元）常被用于研究动力学特性。魏燕定和吕永桂[2]用Lagrange方程和假设模态法，提出了一种由柔性杆和柔性梁组成的两连杆柔性构件系统，推导了该系统的动力学方程，并研究了振动抑制问题。杜欣[3，4]在建立压电双连杆柔性机械臂动力学模型时，也是利用了Lagrange方程和假设模态法，并进一步展开了双杆柔性机械臂最优控制研究，指出了主动控制的不足之处。 第2章复杂构形柔性机械臂动力学模型 2.1引言 柔性机械臂动力学模型是进行柔性机械臂振动控制的基础，能否建立合理的动力学模型将影响控制效果的优劣。柔性机械臂是一个复杂的多柔体动力学系统，目前对于柔性机械臂建模技术的研究，相关文献通常在一定假设的前提下，利用Lagrange方程和Hamilton原理，建立柔性机械臂的偏微分-积分方程组，通过对方程组进行离散化处理，用有限维度的常微分方程组的数值解近似代替原系统的响应。M.H.Korayem利用Lagrange方程建立了含多个柔性机械臂的移动机器人的动力学模型，并在此基础上研究了模型的轨迹规划问题。Bolandi[59]基于Hamilton原理和假设模态法研究了具有旋转关节和柔性连杆的单连杆柔性机械臂完全非线性动力学模型。魏进[72]基于Hamilton原理导出双臂机器人的柔性臂杆和柔性关节的稱合运动微分方程。在工程实践中，柔性机械臂