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摘要：隨著我國現代化進程的不斷推進，傳統的剛性機器臂已經無法滿足高速發展的工業生產需求，各項生產性能和工業制造精度也在不斷提高。因此，總質量較輕且結構緊湊的柔性臂結構成為了突破現今工業機器人生產限制的關鍵技術，同時也是工業機器人領域內的研究熱點之一。彈性震動問題直接影響柔性臂的生產性能，本文基于柔性臂原理和結構特點，介紹了柔性臂結構設計和控制系統設計思路，最后通過分析振動影響，從動力學特性以及系統控制策略的角度，展望了柔性臂結構工業機器人的應用前景。

關鍵詞：柔性臂;結構設計;動力學;控制策略

隨著我國工業改革的不斷深入，航空、航天、汽車、重工等工業領域廣泛采用了機械臂進行相關的生產活動。然而，由于現代科技的不斷發展，新技術的不斷突破，傳統剛性機械臂無法實現高精度、高負載、高速的現代化工業生產。因此，柔性臂作為一種能耗低、重量輕的新型自動化操作裝置，受到國內外的廣泛關注，特別是電子儀器的精加工、自動化微裝配生產線、精密儀器生產等領域都廣泛采用柔性臂結構。柔性臂結構工業機器人是一種多輸入、多輸出、非線性的機械臂系統且具有一定的固有振動特性，因而在超高速、高負載等復雜多變的工況下柔性臂結構的動力學運動軌跡極其復雜，長時間作業時機械臂會發生定位誤差、精度下降。因此，需要綜合考慮柔性臂工業機器人的動力學特性和控制策略，進而設計出合理、穩定的機械臂結構。

1柔性臂及其原理

柔性臂工業機器人是通過桿件柔性和關節柔性兩種柔性表現形式來進行工業生產的，這兩種柔性表現形式為工業機器人提供了更多的自由度，并可以將剛性機械臂轉換成具有高自由度的柔性臂。桿件柔性是指在柔性臂運動過程中柔性桿在接觸區產生桿件的彈塑性變形、彎曲、拉伸時，通過波傳遞到桿中對機械臂的承受載荷產生較大影響的一種柔性表現形式。關節柔性是在減速器運轉、轉軸轉動時產生的一種柔性表現形式，柔性臂桿件原理結構如圖1所示：

2柔性臂結構設計要點

柔性臂工業機器人基于結構特性分為柔性桿件臂、柔性關節臂、混合柔性臂等類別。柔性臂由于其特殊的結構特點，在工業生產中會發生柔性形變，柔性臂末端將出現抖動現象使得生產精度無法得到保證，因此設計柔性臂工業機器人的控制系統是極其重要的，需要在保證柔性臂定位精度的同時確保柔性臂系統的穩定性。此外，工業機器人在生產時需要由動力系統驅動機械臂，傳統剛性臂工業機器人大多基于電磁電機構建驅動系統，齒輪、絲杠容易出現傳動誤差以及慣性干擾。現代超聲電機則具有良好的驅動性能、高精度的控制效果能夠構建響應時間短、結構緊湊的驅動系統，因此現代超聲電機組成的驅動系統被廣泛應用在柔性臂工業機器人系統中。

3柔性臂的動力學及其控制

柔性臂具有特殊的力學結構和非線性、強耦合的復雜動力學系統，因而在研究柔性臂時，需要對其進行整體建模進而研究動力學特性，構建完善的動力學系統。目前，大多數柔性臂工業機器人是包含剛性和柔性機械臂的耦合非線性系統，同時也包含動力系統和控制系統耦合的非線性系統。因此，針對柔性臂進行動力學建模不僅能研究柔性臂的精確性和穩定性等特征，也能為設計控制系統提供相應的參數。柔性臂的動力學建模主要是基于拉格朗日方程以及歐拉方程構建，根據變分原理、虛位移原理進行分析。由于柔性臂是集中參數和分布參數構成的混合系統，因此在機械臂生產過程中，由于運動產生的科氏力使得該非線性動力方程不易求解，通常需要通過一定的方法將偏微分方程轉化為常微分方程。對于柔性臂工業機器人控制系統則基于柔性臂動力學分析結果進行控制策略設計，控制策略設計的主要功能是實現振動控制和軌跡控制，而控制系統的主要用途則是在生產過程中受力產生彈性變形和振動時，保證柔性臂的末端能夠準確定位。

4結語

傳統的剛性臂工業生產機器人由于其自由度較低、能耗高、生產精度低、機械臂桿較短等缺點，已無法滿足現代化高精度自動化生產的要求。而與傳統剛性臂工業機器人相比，柔性臂工業生產機器人則由于結構緊湊、承載負重大、總質量較輕等性能優勢被廣泛應用于航空航天、工業生產等領域，具有極高的學術研究價值和工程應用價值。

參考文獻：

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作者:張健寶 單位:山東省膠州市實驗中學