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外空间环境中的柔性机械臂的非线性振动研究

姜丹  
【摘要】:随着空间技术和机器人技术的迅速发展,空间柔性机械臂由于其质量轻、耗能低和作业适应性强,在航空航天和机器人领域中获得了广泛的应用。空间柔性机械臂一般是由刚性关节和细长的柔性臂杆组成,是典型的刚柔混合机械系统。机械臂在发射过程和在外空间工作过程中,一般会受到较大的加速度,存在过大的载荷和振动冲击等作用,在其运动过程中会产生较大的弯曲变形和较强的残余振动。另外,这种柔性臂杆的弹性振动具有典型的非线性振动特征。因此,对外空间环境下的柔性机械臂的非线性振动进行研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。 本文以某用于外空间中的柔性机械臂为对象,重点研究其柔性连杆的非线性振动问题。主要包括以下内容: 首先建立了某柔性机械臂的三维实体模型,计算了主要零部件的固有频率。然后利用模态综合法和Lagrange方程建立柔性机械臂的动力学模型。在建模过程中,采用满足合适的Clamped-mass边界条件的Euler-Bernoulli梁理论,得到了平面内的弯曲变形模型,其中略去了扭转和拉伸变形和影响。 在上述模型的基础上,对柔性机械臂的振动行为进行数值仿真,分别对比分析了模态截断的阶数、连杆结构参数、关节驱动力矩等对柔性机械臂非线性振动特性的影响规律。 然后,建立了考虑微重力的柔性机械臂的动力学模型并进行仿真,讨论了微重力对柔性机械臂非线性振动特性的影响。利用考虑微重力环境和末端集中质量的柔性机械臂的动力学模型,仿真分析末端集中质量对柔性机械臂非线性振动特性的影响。 再者,对关节摩擦的影响进行研究,得到了考虑摩擦力作用时柔性机械臂的非线性振动规律。 最后,建立了新的基于柔性杆大变形假设的柔性机械臂动力学模型,并对其进行仿真,得到在大变形情况下的柔性机械臂的非线性振动行为。


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