柔性机械臂建模及动力学特性分析

V ol 34No.6

Dec.2014

噪

声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第34卷第6期2014年12月

文章编号：1006-1355(2014)06-0007-05

柔性机械臂建模及动力学特性分析

刘旭亮，黄玉平，崔佩娟，徐祯祥

(中国航天科技集团公司第一研究院十八所，北京100076)

摘要：以仿人手臂的三旋转关节刚柔耦合机械臂为研究对象，对柔性部分建立理论模型并分析其动态特性。为了提高模型精确度，利用有限段方法分析研究不同边界条件下柔性臂各阶固有频率及振型函数，通过假设模态法和汉密尔顿原理，考虑重力，建立机械臂柔性部分动力学模型。引入角度轨迹，在Matlab 中利用四阶Runge-Kutta 法求解非线性时变微分方程组，获得柔性臂末端负载的残余振动。为实现柔性机械臂模型的进一步精确化和主动残余振动控制提供参考。

关键词：振动与波；柔性机械臂；模态分析；弹性变形；动力学建模；振动分析中文分类号：O326，TH113

文献标识码：A

DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.002

Modeling and Dynamic Characteristic Analysis of

Flexible Robotic Arm

LIU Xu-liang ,HUANG Yu-ping ,CUI Pei-juan ,XU Zhen-xiang

(The 18th Institute,China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China )

Abstract :Taking humanoid rigid-flexible coupling robotic arm with three rotating joints as the object,the dynamic model of the flexible part of the robotic arm is established and its dynamic characteristic is analyzed.For improving the accu-racy of the model,the finite segment method is used to analyse the intrinsic frequencies and vibration-mode functions of the flexible part of the robotic arm with different boundary conditions.The gravity effect is considered and the modal-assump-tion method and Hamilton ’s principle are used to describe the deformation of the flexible shaft.Introducing the angular func-tion of the joints,the 4th order Runge-Kutta method is utilized to solve the time-varying non-linear differential equations by means of MATLAB code.The residual oscillation of the loaded flexible arm end is derived.This research has provided a foundation for refinement of the flexible robotic arm model and for the active control of the residual oscillation.

Key words :vibration and wave ;flexible robotic arm ;modal analysis ;elastic deformation ;dynamic model ;oscilla-tion analysis

近几年，小型化、轻型化成为航天产品重要的发展方向；空间站建立、维护，空间垃圾回收以及深空探索是我国航天事业的发展目标。在当前形势下，传统大质量、大余量的刚性结构不能满足未来发展的需求，更加小型轻质、灵巧的机构设计及其控制方法是研究的重要方向之一。本文着眼于研究柔性体主动抑振控制方法，以仿人手臂的三旋转关节刚柔耦合机械臂为研究对象，建立模型并分析其动态特性，为后续控制方法的研究奠定基础。

收稿日期：2014-04-08基金项目：863项目：机电作动子系统关键技术攻关及研制

（2012AA70607051）

作者简介：刘旭亮（1990-），男，新疆乌苏人，硕士研究生，主

要研究方向：机电一体化，机械动力学。

通信作者：黄玉平，男，研究员，硕士生导师。

E-mail:huangyuping18@https://www.360docs.net/doc/346759882.html,

柔性机器人手臂采用了低惯量的结构，具有以下潜在优点：更大的负载重量比、更低的经济成本、更少的能量消耗、更小的体积和更高的操作速度等。柔性机构带来轻质化等优点的同时，其最大的缺点是低刚度引起的振动。振动会严重影响定位精度和速度，甚至可能危及整个结构的安全。如何准确描述和正确处理系统中柔性结构带来的振动是柔性机械手臂的研究重点。近30年来，国内外学者在柔性机械臂相关领域发表了大量研究成果。2003年，宋秩民等人对柔性机械臂动力学分析与振动控制研究进行了综述分析。2006年Dwivedy 和Eber-hard 回顾了1974—2005年间柔性机械臂领域的相关研究成果，内容涵盖柔性机械臂建模、动力学计算、控制与实验各个方面[1]。柔性臂主动振动控制的基础在于对柔性机械臂特性分析，针对不同对象的模态和动态特性分析十分重要。