柔性机械臂综述.ppt

### 柔性机械臂综述 #### 一、柔性机械臂的优点与挑战 ##### 优点： 1. **用料少**：相比传统刚性机械臂，柔性机械臂的设计更加节省材料，这不仅降低了制造成本，还减少了资源消耗。 2. **重量轻**：由于材料的减少和特殊的设计，柔性机械臂整体重量更轻，这意味着它们在移动时更加灵活，能耗更低。 3. **耗能低**：重量轻和用料少的特点使得柔性机械臂在工作时的能耗大大降低，这有助于提高能源利用效率。 ##### 缺点及解决方案： - **弹性变形**：柔性机械臂的主要挑战之一是在操作过程中容易发生弹性变形，这可能会影响其精度和稳定性。为了解决这个问题，在保持上述优点的同时，需要研究新的结构设计和控制方法来优化性能。 #### 二、典型柔性机械臂示例 - **Aerospace Dual-Arm Flexible Manipulator**：这是一种专为航空航天领域设计的双臂柔性机械臂，能够在极端条件下执行精确的操作。它的设计考虑了重量和强度的平衡，同时采用了先进的控制算法来克服弹性变形的问题。 - **单杆柔性机械臂的建模**：这类机械臂通常用于实验室研究或小型工业应用中。通过精确的数学模型来预测其行为，并优化设计参数。 #### 三、柔性机械臂建模 ##### 1. 模型的抽象化与基本假定 - 在构建模型之前，需要对实际的机械臂进行一定的抽象化处理，以便简化数学模型。这些假设通常包括忽略某些次要因素，如空气阻力等。 - 基本假定可能包括：忽略摩擦力、假设材料均匀且各向同性等。 ##### 2. 基本方程的建立 - **坐标系**：首先定义一个合适的坐标系，以便描述机械臂的运动。例如，可以使用直角坐标系或极坐标系。 - **运动分析**：通过对机械臂各个部分的运动进行分析，建立描述其位置、速度和加速度的基本方程。 - **动能和势能的计算**：根据机械臂的质量分布和运动状态，计算其动能和势能。 - **动力学方程**：利用Hamilton原理等方法，建立描述机械臂运动的动力学方程。 ##### 3. 用假设模态法对分布参数系统进行离散化 - 为了简化模型并使其更易于求解，采用假设模态法将连续的分布参数系统离散化为一组常微分方程。 - 该方法的关键在于选择合适的模态函数，以准确地描述系统的动态特性。 ##### 4. 用有限元法求弹性杆的模态 - 通过建立适当的泛函，利用变分原理求解系统的固有频率和振形函数。 - 使用Hermite插值多项式来近似振形函数，进而求解模态问题。 ##### 5. 常微分方程组的求解 - 将离散化后的常微分方程组转换为矩阵形式，便于数值求解。 - 这种方法可以扩展到更复杂的多杆柔性系统中。 #### 四、柔性机器人动力学分析 ##### 1. 变形的描述 - **相对坐标描述**：适用于开链机构的动力学分析，也适用于闭链机构通过引入运动约束方程。 - **绝对坐标描述**：适合于描述大变形情况下的几何非线性问题。 ##### 2. 变形场的离散化 - **有限元法**：适用于复杂的几何形状和边界条件。 - **有限段法**：适用于含有细长构件的柔性机器人系统。 - **集中质量法**：简化模型，易于实现。 - **假设模态法**：提高计算效率，但可能难以准确描述复杂结构的振动模态。 ##### 3. 建模方法 - **矢量力学方法**：基于牛顿-欧拉方程。 - **分析力学方法**：包括拉格朗日方程、哈密顿原理和凯恩方程等。 ##### 4. 近似分析 - **运动弹性静力分析**：考虑静态载荷下的弹性变形。 - **运动弹性动力分析方法**：考虑动态载荷下的弹性变形。 - **KED 方法**：忽略弹性振动对大范围刚体运动的影响，简化分析过程。 通过对这些关键知识点的深入理解，我们可以更好地设计和优化柔性机械臂，以满足不同应用场景的需求。