随着科技的发展,轻质和柔性构件在工程中的应用越来越多;另外机构运行速度加快,运行精度的要求越来越高;由此构成所谓的柔性多体动力学系统或刚柔耦合动力学系统,柔性机械臂是这类系统的典型代表之一。这类系统的特征是系统既有大范围的刚体运动,又同时存在柔性构件的小变形弹性振动,这两种运动相互耦合和相互影响。因为柔性多体系统在航空航天、机器人等许多高科技领域有着强烈的工程应用背景,因此对其动力学建模与主动控制的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。压电材料由于具有良好的机电耦合特性,既可以作为传感器,也可以作为作动器,在结构振动主动控制领域得到了广泛应用。压电作动器通过粘贴或填埋方式与结构结为一体,因此非常适用于存在大范围运动的柔性构件的振动抑制。本文充分借鉴当前柔性多体系统动力学和结构振动主动控制领域的研究成果,对柔性机械臂的动力特性和压电主动控制进行探索与实践,并且开展实验研究。本文的研究得到国家自然科学基金(编号:10472065)、教育部重点项目(编号:107043)和上海市“曙光计划”项目(编号:04SG16)的资助,主要研究内容和成果总结如下:(1)在阅读大量文献的基础上,较为全面地综述了柔性机械臂的研究进展。(2)研究了柔性机械臂的响应频率特性问题,内容包括不同附加质量位置对系统频率特性的影响,以及不同附加质量大小、关节半径与机械臂长度比、关节半径、关节转动惯量、阻尼等参数和因素对系统响应频率的影响。结果表明:(i)对于系统大范围运动已知的情况,机械臂的响应频率随附加质量的位置从固定端向自由端移动而降低;阻尼对系统频率特性影响很小,只对机械臂的平衡位置有所影响。(ii)对于系统大范围运动未知的情况,当附加质量位于机械臂末端时,将造成机械臂振幅变大和响应频率降低。当附加质量的位置从固定端向机械臂中点移动时,系统频率并未产生下降趋势,而是呈现出波动现象;而当附加质量从机械臂中点向自由端移动时,响应频率则呈现出明显的下降趋势。阻尼仅仅影响系统的最终到达位置和机械臂的振幅,对频率影响很小。在机械臂关节半径很小时,系统的频率对关节半径非常敏感,但当其大于一定值后,系统频率趋于稳定。(3)研究了压电材料的质量效应和刚度响应对柔性机械臂系统动力特性的影响,给出了相应的压电建模方法。研究结果表明:(i)当压电长度很短时,压电材料对系统动力特性的影响不大,可以忽略不计。(ii)当压电长度小于机械臂长度的一半时,压电刚度对系统特性有着较大影响,而压电质量的影响较小;当压电长度大于机械臂长度的一半时,压电质量对系统特性有着较大影响,而压电刚度的影响较小。(4)研究了柔性机械臂位置主动控制的线性化控制设计问题和非线性控制设计问题,给出了控制律的设计方法。研究结果表明:线性化控制方法可以控制机械臂到达指定位置,并可同时抑制残余振动,但到位时间指标欠佳;而非线性控制方法既可以保证系统的精确定位和抑制残余振动,在到达时间指标上具有良好效果。(5)基于DSP控制卡开展了柔性机械臂位置主动控制的实验研究。实验中选用高性能交流伺服电机驱动柔性梁,设计压电控制律用于抑制梁的弹性振动,从而实现旋转柔性梁的精确定位和振动控制。通过实验验证了理论研究成果。柔性机械臂的动力学与控制问题是一个极具挑战性的研究课题,许多方面还需要进一步深入研究与探讨,因此在论文的最后,对本文的研究工作和成果进行了全面总结,对未来的研究问题进行了展望。