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摘要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的剛性機(jī)器臂已經(jīng)無(wú)法滿足高速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)需求，各項(xiàng)生產(chǎn)性能和工業(yè)制造精度也在不斷提高。因此，總質(zhì)量較輕且結(jié)構(gòu)緊湊的柔性臂結(jié)構(gòu)成為了突破現(xiàn)今工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)限制的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。彈性震動(dòng)問(wèn)題直接影響柔性臂的生產(chǎn)性能，本文基于柔性臂原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了柔性臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，最后通過(guò)分析振動(dòng)影響，從動(dòng)力學(xué)特性以及系統(tǒng)控制策略的角度，展望了柔性臂結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：柔性臂;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);動(dòng)力學(xué);控制策略

隨著我國(guó)工業(yè)改革的不斷深入，航空、航天、汽車(chē)、重工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用了機(jī)械臂進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)活動(dòng)。然而，由于現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，新技術(shù)的不斷突破，傳統(tǒng)剛性機(jī)械臂無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度、高負(fù)載、高速的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。因此，柔性臂作為一種能耗低、重量輕的新型自動(dòng)化操作裝置，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，特別是電子儀器的精加工、自動(dòng)化微裝配生產(chǎn)線、精密儀器生產(chǎn)等領(lǐng)域都廣泛采用柔性臂結(jié)構(gòu)。柔性臂結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人是一種多輸入、多輸出、非線性的機(jī)械臂系統(tǒng)且具有一定的固有振動(dòng)特性，因而在超高速、高負(fù)載等復(fù)雜多變的工況下柔性臂結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡極其復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)機(jī)械臂會(huì)發(fā)生定位誤差、精度下降。因此，需要綜合考慮柔性臂工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性和控制策略，進(jìn)而設(shè)計(jì)出合理、穩(wěn)定的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

1柔性臂及其原理

柔性臂工業(yè)機(jī)器人是通過(guò)桿件柔性和關(guān)節(jié)柔性兩種柔性表現(xiàn)形式來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的，這兩種柔性表現(xiàn)形式為工業(yè)機(jī)器人提供了更多的自由度，并可以將剛性機(jī)械臂轉(zhuǎn)換成具有高自由度的柔性臂。桿件柔性是指在柔性臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中柔性桿在接觸區(qū)產(chǎn)生桿件的彈塑性變形、彎曲、拉伸時(shí)，通過(guò)波傳遞到桿中對(duì)機(jī)械臂的承受載荷產(chǎn)生較大影響的一種柔性表現(xiàn)形式。關(guān)節(jié)柔性是在減速器運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種柔性表現(xiàn)形式，柔性臂桿件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2柔性臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

柔性臂工業(yè)機(jī)器人基于結(jié)構(gòu)特性分為柔性桿件臂、柔性關(guān)節(jié)臂、混合柔性臂等類(lèi)別。柔性臂由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)發(fā)生柔性形變，柔性臂末端將出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象使得生產(chǎn)精度無(wú)法得到保證，因此設(shè)計(jì)柔性臂工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是極其重要的，需要在保證柔性臂定位精度的同時(shí)確保柔性臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)時(shí)需要由動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，傳統(tǒng)剛性臂工業(yè)機(jī)器人大多基于電磁電機(jī)構(gòu)建驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，齒輪、絲杠容易出現(xiàn)傳動(dòng)誤差以及慣性干擾。現(xiàn)代超聲電機(jī)則具有良好的驅(qū)動(dòng)性能、高精度的控制效果能夠構(gòu)建響應(yīng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)緊湊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此現(xiàn)代超聲電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在柔性臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中。

3柔性臂的動(dòng)力學(xué)及其控制

柔性臂具有特殊的力學(xué)結(jié)構(gòu)和非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因而在研究柔性臂時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行整體建模進(jìn)而研究動(dòng)力學(xué)特性，構(gòu)建完善的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。目前，大多數(shù)柔性臂工業(yè)機(jī)器人是包含剛性和柔性機(jī)械臂的耦合非線性系統(tǒng)，同時(shí)也包含動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)耦合的非線性系統(tǒng)。因此，針對(duì)柔性臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模不僅能研究柔性臂的精確性和穩(wěn)定性等特征，也能為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的參數(shù)。柔性臂的動(dòng)力學(xué)建模主要是基于拉格朗日方程以及歐拉方程構(gòu)建，根據(jù)變分原理、虛位移原理進(jìn)行分析。由于柔性臂是集中參數(shù)和分布參數(shù)構(gòu)成的混合系統(tǒng)，因此在機(jī)械臂生產(chǎn)過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的科氏力使得該非線性動(dòng)力方程不易求解，通常需要通過(guò)一定的方法將偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程。對(duì)于柔性臂工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)則基于柔性臂動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)，控制策略設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制和軌跡控制，而控制系統(tǒng)的主要用途則是在生產(chǎn)過(guò)程中受力產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)時(shí)，保證柔性臂的末端能夠準(zhǔn)確定位。

4結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的剛性臂工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人由于其自由度較低、能耗高、生產(chǎn)精度低、機(jī)械臂桿較短等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足現(xiàn)代化高精度自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。而與傳統(tǒng)剛性臂工業(yè)機(jī)器人相比，柔性臂工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人則由于結(jié)構(gòu)緊湊、承載負(fù)重大、總質(zhì)量較輕等性能優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，具有極高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

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作者:張健寶 單位:山東省膠州市實(shí)驗(yàn)中學(xué)