计及柔性的移动机械手系统动力学分析

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选择合适的悬架系统,可以缓解或削弱不规则路面对机械手在力与位移等方面的影响;移动柔性机械手具有诸多移动刚体机械手无法比拟的优点:构件质量轻巧、节能、小的驱动器尺寸规格、运动灵敏快捷、制作成本低、机械手的额定载荷与自重的比值高等。   然而由于弹性阻尼悬架的引入,致使移动机械手运动学与动力学相互耦合,同时构件弹性变形与构件整体参考坐标大范围运动存在动力学耦合及机械手末端执行器存在弹性振动现象等。轮式悬架移动柔性机械手动力学模型是一个多自由度、多变量、多参数耦合、高度非线性的复杂系统,这是由其动力学内在本质上的复杂性所决定。动力学模型的建立是诸多动力学问题中一个极其重要的方面,特别针对轮式悬架移动柔性机械手动力学正、逆模型的准确构造,如何评定系统瞬态动力学稳定性,这些将对移动机械手后续的控制策略的构造、轨迹规划等有着重要的意义。   建立在多体系统动力学基础上,综合考虑弹性悬架影响和构件的弹性变形(分别采用了Rayleigh-Ritz近似法和有限元法来表述构件的弹性变形)及构件弹性变形与构件整体参考坐标大范围运动的动力学耦合,对系统完整运动力学、动力学、静力学、动力学瞬态稳定性及部分系统参数的确定进行了系统的研究,并进行了相应的数值仿真。   本文的主要创新成果如下:   1.建立在多刚体系统动力学的基础上,综合考虑了线弹性阻尼悬架对系统动力学的影响,对2 杆轮式移动刚体机械手运动学、动力学、静力学进行了系统的研究,采用广义笛卡尔坐标,并以矩阵、矢量的形式,构建了系统完整运动学、动力学模型、静力学模型。   所构建的动力学、静力学正、逆模型有效的统一于系统完整动力学模型中。最后通过数值仿真,比较给定轨迹与计算轨迹(来自动力学模型的数值解),验证了动力学模型的正确性;通过比较不同悬架弹簧刚度下的动力学模型数值仿真结果,表明了轮式悬架的功用。   2.建立在多柔体系统动力学的基础上,综合考虑了弹性悬架影响和构件的弹性变形及构件弹性变形与构件整体参考坐标大范围运动的动力学耦合,采用笛卡尔坐标变量对移动机械手系统的运动学、动力学、静力学进行了研究,并将相应力学模型以矩阵、矢量的形式形成简洁的表达形式。相对关节变量而言,该方法更具有通用性,对大规模多体系统动力学分析有重要指导作用,同时该动力学模型便于应用计算机进行数值求解。通过与Ansys11.0的计算结果比较,验证了系统静力学模型的正确性与有效性。最后采用数值法给出了该动力学模型的正解仿真结果。   3.建立在第2章、第3章、第4章动力学研究的基础上,给出了系统瞬态动力学稳定性评价准则,并针对不同的动力学模型,进行动力学瞬态稳定性评价。在给定既定任务工况(路面)下,以动力学稳定性准则为约束条件,对部分系统参数进行优化,形成多目标规划。最后建立在所得优化参数基础上,针对轮式移动刚体机械手、轮式悬架移动刚体机械手、轮式悬架移动刚-柔体机械手、轮式悬架移动柔体机械手稳定性进行了仿真。仿真结果显示了系统在执行任务时瞬态动力学稳定性分布情况及悬架、构件弹性变形对系统整体稳定性的影响。   4.建立在欧拉-伯努力梁理论基础上,采用pin-free 边界条件,并引用Hermit 插值函数作为单元形函数对柔性机械手进行了有限元离散;综合利用虚功原理和牛顿-欧拉方程并在全局坐标系和中间坐标系下,以矩阵、矢量简洁的形式分别构建了移动机械手系统的完整正、逆动力学模型及静力学模型。在频域下,求解了系统驱动力(矩)和弹性构型变量,并在时域内对驱动力矩进行了修正,并对修正力矩和构型变量进行了累计误差分析。最后进行了数值仿真。该方法适用于对移动柔性轻质机械手末端执行器有高精度定位要求的动力学研究,并对系统开环控制和闭环控制的策略构建有着重要参考意义。
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