第2期 2018年2月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2018)02001704
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2018.02.005
考虑柔性关节的刚柔耦合机械臂的优化设计，
尹秋明1，范纪华1,2,3，谌宏2，王琪1,2,3，方海峰1,2,3，吴群彪,2,3
No.2 Feb.2018
（1.江苏科技大学机电与动力工程学院，江苏张家港215600；2.江苏科技大学苏州理工学院，江苏张家港215600；3.张家港江苏科技大学产业技术研究院，江苏张家港215600）
摘要：为了提高刚柔耦合机械臂的运动精度，抑制由柔性关节引起的振动。根据“线性扭簧模型”和有限元法，推导出机械臂柔性关节和杆件的动力学模型，找导刚柔耦合机械臂关节阻尼参数与末端振动位移的关系。确定关节阻尼取值范围并将其作为设计变量，设计目标为机械臂的末端振幅，进行优化。使用ADAMS对已建立关节阻尼优化设计模型的刚柔耦合机械臂进行优化设计，得到最小振幅时最优阻尼。对比并分析机械臂高速和低速两种工况下的结果，并对机械臂进行附加强迫振动分析。验证了柔性关节对高速和低速机械臂末端运动精度均有不可忽略的影响，为带有柔性关节机械臂抑制振动，提高精度提供理论依据。
关键词：柔性关节：刚柔耦合；优化分析；振动抑制
中图分类号：TH113;TG659
文献标识码：A
Optimum Design of Rigid and Flexible Coupled Arm Considering Flexible Joints
YIN Qiu-ming' ,FAN Ji-hua ",2,3 , CHEN Hong" , WANG Qil-2.3 , FANG Hai-feng'-2.3, WU Qun-biao'.2.3(1. School of Mechanical-Electronic and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang Jiangsu 215600, China; 2. Suzhou Institute of Technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang Jiangsu 215600, China)
Abstract: In order to improve the movement accuracy of the rigid-flexible coupling arm, the vibration caused by the flexible joint is suppressed. According to the " linear torsion spring model" and the finite ele-ment method, the dynamic model of the flexible joint and the bar of the manipulator is deduced to find the relationship between the joint damping parameters and the end vibration displacement of the rigid flexible coupling robot. Determine the range of joint damping and use it as a design variable, the design goal for the end of the arm amplitude, to optimize. Using ADAMS to optimize the design of rigid and flexible coupling manipulator with established joint damping optimization design model, getting the minimum amplitude when the optimal damping. Compare and analyze the results of high speed and low speed of the manipulator, the arm for additional forced vibration analysis, It is verified that the flexible joints have no influence on the pre cision of the high speed and low speed manipulator which provides theoretical basis for suppressing vibration and improving accuracy with flexible joint manipulator.
Key words: flexible joints; rigid and flexible coupling; optimization analysis; vibration suppression
0引言
随着工业机器人在各种工况下的广泛使用，对机
戒臂工作精度和稳定性的要求也随之提高。机械臂的关节处常安装有力矩传感器和带有柔轮的谐波减速器等柔性元件，以达到精度高，传动效率高，减速比高等高性能要求。柔性元件的使用对机械臂运动精度产生不可忽略的影响，成为制约机械臂进一步发展的瓶
收稿日期：2017-04-01修回日期：2017-05-06
颈[1-2] 。
因此，柔性关节的振动抑制问题成为当今机械臂领域重点研究方向之一。Spong3]首先提出柔性关节建模方法，将机器人的柔性关节简化成线性扭簧，并建立动力学分方程进行分析；BAHRAMI4推导出N根柔性杆的动力学方程，借助线性扭簧-阻尼模型，给杆底座施加随机激励，研究柔性杆末端动态的响应。在抑制柔性关节振动和控制方法方面，陈志勇等[36]根据
*基金项目：国家自然科学基金（11502098）；江苏省高校自然科学研究面上项目（15KJB130003，16KJD130001）；江苏省大学生创新创业训练计划平
台（201613991002Y）资助项目；江苏科技大学博士科研启动基金（120140003）
作者简介：基琴盟996一），男，江苏连云港人，江苏科技大学学生，研究方向为机械设计制造及其自动化，（E-mail)991998334@q-com；通讯作
方袁懿据毕（1985一），男，江苏张家港人，江苏科技大学副教投，博士，研究方向为多体系统动力学与控制，（E-mail)fanjihua@163.com。