基于多体动力学的轮式悬架移动刚-柔并联机械手动力学性能研究

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1、基于多体动力学的轮式悬架移动刚-柔并联机械手动力学性能研究高技术通讯２０１４年第２４卷第９期：９７５～９８１ｄｏｉ：１０．３７７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－０４７０．２０１４．０９．０１５基于多体动力学的轮式悬架移动刚．柔并联机械手动力学性能研究①杨玉维②…刘振忠“董黎敏”李扬民”袁旭”天津３００３８４）（＋天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室（”天津理工大学机械工程学院天津３００３８４）摘要考虑到移动串联机械手不能很好地满足高速、大负载工况下准确作业的要求，提出了轮式悬架柔性移动并联机械手这一新的构型，并对其进行了动力学性能研究。基于多柔性体动力学，在笛卡尔坐标下构建了

2、系统动力学模型，建模方法具有通用性与完备性。在此基础上，分别针对———————————————————————————————————————————————串联、并联、刚性、柔性四类移动机械手的动力学模型进行了数值仿真，并对仿真结果进行了比较、分析，验证了建模方法的正确性并佐证了新构型移动机械手的动力学性能特点，提出了提高柔性并联机械手的工作速度、刚度和工作精度的技术方法，为后续控制算法的构建提供了理论基础。关键词多体动力学，动力学建模，数值仿真，轮式悬架，刚．柔并联机械手并联机械手动力学模型；文献［１０］基于拉格朗日原０引言由于拓展了机械手的工作空间，移动串联机械理和有限元法及子结

3、构法构建了一平面并联机械手动力学模型；文献［１１，１２］针对轮式平面柔性移动机械手逆动力学进行了系统研究，在有限元法基础上，综合利用虚功原理和牛顿．欧拉方程构建了移动柔性机械手系统的完整逆动力学模型，并在频域下求解了系统驱动力（矩）和弹性构型变量等。上述研究对移动柔性机械手控制有着重要指导意义。手在工业、医疗、防恐等领域有着广阔的应用前景，同时面Ｉ临着高速、重载等严峻的挑战。由于高速构件具有较大惯性力，不利于系统控制，为此通常采用低质构件来降低惯性力（矩）。但系统高速运行时，易产生弹性变形、振动等负面影响，从而降低了作业精度。为了提高机械手末端轨迹跟踪精度，大量学———————————

4、————————————————————————————————————本文借鉴并联机械手的高速、大刚度、准确作业等优点，在新构型轮式悬架移动并联机械手（专利号：ＺＬ２０１１２０１０８９５６．５）的基础上，提出了轮式悬架柔性移动并联机械手。本研究针对这一新构型，以多柔性体动力学理论基础，借助有限元法，综合考虑者致力于柔性系统动力学研究，例如，文献［１，２］构建了柔性机械手的逆动力学模型，在频域内求解了关节前馈驱动力矩，并以此为已知条件，对系统正动力学模型进行了通常意义（时域内）上的微分方程的求解，以获取弹性构件的弹性变形，但在系统正动力学模型求解过程中，没有考虑到驱动力矩与构建末端运动

5、的时间不同步问题（非因果性¨，２ｊ），所以该方法存在一定的不足；文献［３－６］研究了柔性机械手的建模与控制问题；文献［７］综合考虑了机构的奇异构型，并进行了平面结构逆动力学问题的研究；文献［８］和文献［９］分别基于线弹性动力学与结构动力学，相应采用有限元法和模态法构建了一平面移动载体悬架、杆件、运动副关节等柔性及它们与系统刚体运动间的非线性动力学耦合效应，在笛卡尔坐标下，综合采用牛顿．欧拉法和拉格朗日法构建了系统动力学模型，并以此为基础分别针对移动“串／并”联“刚／柔”机械手逆动力学进行仿真，并通过对仿真结果比较分析，佐证了轮式悬架移动柔性并联机械手所具有的优点及复杂的非线性动力学耦合

6、问———————————————————————————————————————————————题，为后续控制算法的构建提供了理论基础。①国家自然科学基金（５１２７５３５３，５１２０５２８９），天津市应用基础及前沿技术研究计划（自然科学基金一般项目）（１２ＪＣＹＢＪＣｌ２２００）和天津市高等学校科技发展基金（２０１２０４０２）资助项目。②男，１９７５年生，博士，讲师；研究方向：移动机器人；联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｕｄｄｈａｗｅｉ＠１２６．ｃｏｒｎ（收稿Ｅｌ期：２０１４－０５—１６）－－－——９７５．－－－——万方数据高技术通讯２０１４年９月第２４卷第９期（２）移动小车在正弦函数描述的路

7、面以水平向１动力学模型建立多柔性体系统动力学建模通常采用两种坐标匀速秽运行。由于构件弹性振动变形与构件体坐标系刚体运———————————————————————————————————————————————动间存在严重非线性动力学耦合，同时考虑到建模的便利性，将并联机械手柔性构件体坐标系Ｄ３一ｒｙ３设置为浮动坐标系统【ｌ３｜，安置如图２、图３所示。其余构件体坐标系固结在相应的构件质心上，这将使得后续构件动力学模型得到简化，即刚体构件的平动与