刚—柔耦合机械臂的动力学特性及同步控制研究

论文摘要

随着科学技术的发展,柔性材料在工程机械中已大量使用,它具有操作速度快、能量消耗少、构件紧凑、载荷质量比大等优点。但是,由于柔性构件高速运动时,存在大范围运动与和弹性变形相互耦合,系统的动力学特性也更加复杂,具有强非线性、强耦合、时变等特点,因此对其动力学建模与控制的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。柔性机械臂是一种典型的刚-柔耦合系统,在航空航天、机器人等许多高科技领域有着强烈的工程应用背景。本文以平面运动的,带有末端质量的中心刚体-柔性机械臂和两杆刚-柔机械臂系统为例,着重研究了其动力学建模理论、动力学特性、同步控制方法和动态测试实验等问题,为复杂的多柔体系统动力学的研究奠定了一定基础。其主要内容包括：首先,采用假设模态法和Lagrange原理,建立中心刚体-柔性机械臂的一次近似耦合动力学模型；分析模态截断对模型精度的影响;分析零次近似耦合模型和一次近似耦合模型的精度和适用范围；分析机械臂不同转速和不同末端质量对其动态特性的影响。在此基础上,建立两杆刚-柔机械臂的动力学方程,讨论在大范围运动已知条件下和大范围运动未知条件下,其动力学响应。其次,提出一种基于状态观测器的反馈同步控制策略,对柔性机械臂系统的大范围运动与机械臂弹性变形进行综合控制,并且讨论了控制器参数对同步控制效果的影响。然后,结合ADAMS及ANSYS软件,建立柔性机械臂的可视化动力学仿真系统。分别采用ANSYS和ADAMS/AutoFlex两种方法建立ADAMS的柔性体,对比分析ANSYS-ADAMS动力学仿真、ADAMS/AutoFlex仿真和MATLAB编程求解动力学方程的结果。最后,建立基于CCD和图像处理技术的柔性机械臂动态响应测试系统,最终得到柔性机械臂时域的动态响应,以及时频三维谱图、频率和阻尼比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关研究现状及分析
• 1.2.1 柔性多体系统建模方法
• 1.2.2 柔性机械臂控制方法
• 1.2.3 虚拟样机技术
• 1.2.4 测试技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 中心刚体-柔性机械臂的动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.3 柔性多体系统的建模方法
• 2.4 混合坐标法
• 2.5 变形描述
• 2.6 模态迭加
• 2.6.1 纵向振动
• 2.6.2 横向振动
• 2.7 一次近似耦合模型
• 2.8 本章小结
• 第3章 中心刚体-柔性机械臂的动力学仿真
• 3.1 引言
• 3.2 模态截断
• 3.3 零次和一次近似耦合模型的对比
• 3.3.1 动力刚化
• 3.3.2 数值仿真
• 3.4 不同转速下的响应
• 3.5 不同末端质量的响应
• 3.6 本章小结
• 第4章 两杆刚-柔机械臂的动力学仿真
• 4.1 引言
• 4.2 系统参数
• 4.3 动力学模型
• 4.4 大范围运动已知的动力学仿真
• 4.5 大范围运动未知的动力学仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 柔性机械臂的控制同步运动
• 5.1 引言
• 5.2 基于反馈策略的同步控制器设计
• 5.3 数值仿真
• 5.4 控制参数的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于ADAMS的柔性机械臂的动力学仿真
• 6.1 引言
• 6.2 仿真流程
• 6.3 刚体模型
• 6.4 刚-柔混合模型
• 6.4.1 ADAMS中的模态处理方法
• 6.4.2 柔性体建立
• 6.4.3 动力学仿真模型
• 6.5 仿真结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 柔性机械臂的动态特性测试
• 7.1 引言
• 7.2 测试系统
• 7.3 测量原理
• 7.3.1 光学三角法测量原理
• 7.3.2 光测参数标定
• 7.3.3 测量图像的二值化
• 7.3.4 标记点坐标的提取
• 7.3.5 时频分析
• 7.3.6 频率与阻尼比的计算
• 7.4 测试方案
• 7.4.1 实验步骤
• 7.4.2 测试结果
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢