基于阅读机械臂研究的简单总结

基于阅读机械臂研究的简单总结

1 机械臂研究的目的

现今社会中要求的是生产规模扩大、自动化程度提高。而机械臂作为物料搬运的重要设备在现代化建设、生产过程中发挥着越来越重要的作用。并且在全球化的市场中，激烈的国际、国内市场也越来越依赖于科学技术的竞争，这些都是促使工程机械臂设计开发技术向大型化、高可靠性、高速化、自动化和智能化方向发展的原因。工程机械臂的机械设计者面临着新的、更严格的挑战。其主要问题即为随着机械臂机构速度的提高，构件柔度的加大，精度要求的增加，工程机械臂生产运行时产生较大的惯性力，会导致弹性部件的变形。当臂架机构运动进入高速区域时，只有将运动部件作柔性体的假设，形成所谓的柔性机构。此时，由于机构部件间的刚体运动与其弹性变形賴合等问题，动力学模型将变得很复杂，给实际问题的解决带来很大的困难。事实上关于柔性体运动与其自身变形的复合动力学问题已经是目前的普遍性的难题。

2 机械臂系统的研究现状

在通过三遍文章的阅读中，多体系统动力学是国内外研究工程机械臂架系统最普遍的多体系统。多体动力学是力学一个新的并迅速发展的分支，它是相互连接的机体系统运动的非线性动力学。首先介绍多体系统动力学的国内外研究现状。多体系统的物理模型定义为由物体铰力元和外力等要素组成且具有一定拓扑结构的系统，多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学。多体系统动力学: 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多体系统动力学研究内容主要包括刚、柔体动力学建模理论及其计算方法、微分方程的数值求解、计算效率、机构综合分析、柔性效应、控制理论、优化方法、实时仿真虚拟样机技术、并行计算和可靠性等。现在多体动力学已经形成了比较系统的分析和建模方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。

3 工程机械臂主要研究方向

工程机械臂架系统是工程机械设计的关键，机械臂系统的合理与否将直接关系到整个工程机械的性能以及作用。经过三篇相关文献的阅读，了解到目前对于工程机械臂的研究大致分为以下几个部分:

3.1工程机械臂系统的动力学微分方程的研究。工程机械臂架系统属于典型的多体系统，釆用多体动力学的方法建模。多体动力学的常规建模方法主要有罗伯森-维滕伯格方法、牛顿-欧拉方法、拉格朗曰法、凯恩方法以及休斯敦法代表文献: 邓子龙等基于Kane方程的Huston方法建立了液压挖掘机机械臂多体动力学微分方程; 于国飞等采用拉格朗日功能平衡法建立了液压挖掘机机械臂多体

动力学微分方程刘杰等釆用拉格朗曰方程和虚功原理建立混凝土系车臂架系统

的柔性多体动力学方程。任会礼等建立了描泊起重船吊臂的动力学微分成并进行动力学特性求解。上述文献釆用拉格朗曰方法在广义坐标系中建立液压挖掘机工作装置机构运动模型简图和锅泊起重船机构动力学模型简图的刚体动力学方程，并采用数值求解的方法进行求解，为分析工作装置及回转装置力与运动之间关系、控制作业规划和仿真提供了理论基础。

3.2工程机械臂的动力学仿真研究。主要采用动力学分析软件或数值求解的方法对机械臂进行仿真。张思奇等运用MATLAB软件与ADAMS软件对混凝土泵车臂架进行联合仿真；周淑文采用ADAMS软件ANSYS软件相结合对泵车臂架的瞬态动力学特性进行了研究;王欣等利用ADAMS软件对履带起重机臂架后倾动力学进行仿真。

4 各文献的大致内容

4.1 王相兵博士的论文中完成的研究工作以及主要成果有如下几个方面：研究了工程机械臂的多刚体动力学方程及柔性多体动力学方程的建模方法，讨论了等效有限元方法和拉格朗日定理，对柔性梁的多体动力学理论基础进行了研究。

根据柔性多体动力学理论，用模态函数描述臂架的弹性变形，用LAGRANGE 定理和虚功原理建立液压挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程，并通过数值求解、动力学仿真的方法对建立的动力学方程进行分析。

对已建立的动力学方程利用MATLAB进行求解，运用仿真软件ADAMS建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并分析，对比了二者结果。

考虑大型船用挖掘机机械臂的轴向变形，采用拉格朗日定理建立其柔性机械臂动力学方程，采用数值求解的方法，利用复模态分析中的状态矢量法对机构动力学控制方程进行了解耦，得到机械臂在标称运动附近振动固有频率和大范围刚性转动角速度的关系。柔性机械臂的固有频率不是一个固定的值，其值随柔性机械臂大范围刚性转动角速度的变化而改变，转动角速度越高，固有频率越大。当大范围刚性运动的转动角速度低，低于弹性振动的基频时，刚柔耦合影响可以忽略不计，此时固有频率可视为一个常数。

应用UG、NASTRAN、ADAMS等软件建立了柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机虚拟样机模型。根据船用挖掘机机械臂系统结构及工况特点，施加载荷并进行动力学分析，通过后处理模块，得到系统位移、速度、加速度等动态性能，以及连接点的铰接力和动臂的动态应力等特性。

研究液压挖掘机机械臂的轨迹规划及运动控制。分析了工程机械臂控制策略理论基础，根据控制原理及机械臂铲斗运动轨迹跟踪控制表达式，建立工作装置机械臂PID控制模型及基于RBF神经网络的PID控制模型，运用Matlab及相关软件对控制模型进行仿真计算，分析了系统的动态响应和稳态误差，并得出基于RBF神经网络的PID控制优于常规控制的结论，能够实现挖掘机工装轨迹的智能控制。

利用模态分析、谐响应分析确定对系统动态性能影响最大的模态频率，以此为基础构建动态优化的目标函数，再利用灵敏度分析缩减设计变量以提高动态优化的效率。利用有限元分析软件中的优化模块对液压挖掘机工作装置机械臂结构系统进行了动态优化设计。

采用拉格朗日乘子法将液压挖掘机工作装置机械臂结构约束动态优化问题

转化为无约束的动态优化问题，得到此拉格朗日函数的极小值点并且此拉格朗日

函数极值点将逐步逼近原目标函数的约束最优点，由收敛准则可得近似最优解。

以有限元分析为基础，将正交试验法与BP神经网络结合，建立了工作装置机械臂结构设计变量与动态特性之间的非线性映射关系的神经网络模型，用遗传算法优化神经网络模型得到最优解。

4.2陈辛研究生的文献中以建立机械臂动力学模型为重点，采用动力学方法建立各类机械臂的动力学模型，并对所得模型进行了动力学仿真和分析：

首先，研究了机械臂的运动学模型，通过运动学特性的研究我们得出了机械臂的运动量随时间变化的关系。运动学控制是传统机械臂的控制方法，但是随着高速、柔性机械臂的出现显示了运动控制的很多不足。

其次，应用分析力学的第二类拉格朗日方程建立了普通机械臂的动力学模型。在建立动力学模型的过程中，采用了符号运算的方法，大大地减少了人工运算时间，并且对所得模型进行了动力学仿真。

第三，应用带有虚拟质量、耗散函数形式的第二类拉格朗日方程建立了水下受流体阻力作用的机械臂的动力学模型。通过对机械臂运动过程的仿真，我们可以定性的看出机械臂的动力学特性，即粘性阻力在一定范围内是可以忽略的，但是流体阻力和虚拟质量是不能忽略的。另外，操纵力矩可能出现操纵反效的可能，这对控制来说是非常重要的问题。

第四，应用凯恩方法、模态展开方法建立了柔性机械臂的动力学模型。并且对所得模型进行动力学仿真，发现当柔性机械臂在运动的时候会存在小幅振动，机械臂停止转动后由于机械臂之间空间几何关系上的耦合，会导致小幅振动激发机械臂绕轴的整体转动，绕轴的整体转动又会引起机械的弹性小幅振动，这对机械臂的空间定位和控制系统的设计是十分不利的。

4.3常明华同志的文章对工程机械臂系统结构特性的研究现状进行了分析，文章中对目前的结构特性的研究的深度以及方向进行了详细的说明，以此，我在总结中多次引用。并且文章对于机械臂的结构特性的缺点表达了自己的想法。

4.4各文献的联系

其中两边文章对工程机械臂结构系统进行了详细的研究，尤其以王相兵博士的文献，以机械臂的用处分类对机械臂进行了很专业的研究，以至于我很多看不懂。而常明花同志则以总结为主。三遍文章都对机械臂的结构特性在不同的角度进行了不同阐述。

4结论

综上所述，国内外针对各种工程机械臂动力学及其动态性能，釆用各种现代设计方法在运动学及动力学建模、数值求解及仿真分析、结构模态分析技术、动力学智能控制、结构动态优化技术等方面开展了许多研究并取得了卓越成效的成果，一定程度上提髙了工程机械臂架结构的动态性能，但仍存在如下不足。

4.1结构动力学研究基本采用瞬时结构假设，单独考虑刚体运动，忽略弹性变形及刚柔祸合产生的非线性动力学效应，对于液压机械臂亦没有同时考虑液压叙的运动规律，因此不能精确描述机械臂运动学和动力学方程，相应地，结构的