柔性机器人机械臂的斜碰撞及Painlevé悖论研究

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部件的柔性化和轻质化逐渐成为机器人发展的重要方向,在机器人机械臂进行抓取目标体时不可避免存在含摩擦的接触问题。该问题进一步可分为仅含有初始法向的碰撞问题和仅有切向初始速度的切向摩擦问题。对于前者的研究较多,但对于后者可能导致的Painlevé悖论(即动态自锁)问题尚没有充分的研究。由于这两类问题对于柔性结构而言,会带来高频冲击振动、瞬态波的传播以及高幅值的接触力,这些均会导致机器人运行精度的劣化以及结构强度的降低,因此本文对柔性双连杆机械臂的含摩擦的接触碰撞机理开展了研究,具体研究内容如下。  (1)研究了双连杆机械臂的建模方法及数值解法,着重比较了结构变形场离散时采用的假设模态法和绝对节点坐标法。通过数值仿真,结果表明虽然假设模态法计算效率高,计算结果满足一定精度,但是其不能计算大变形问题。绝对节点坐标法虽然计算效率低,但计算结果精度高,可以计算大变形问题。并应用绝对节点坐标法对柔性双连杆机械臂启动和制动所激发的瞬态应力波在机械臂中的传播机理进行了分析。  (2)改进了同时考虑法向和切向接触柔度的接触模型,探讨了当一次碰撞接触过程中出现多次压下和恢复过程时,法向接触力和压向量之间的关系。并建立了能量恢复系数和法向弹塑性变形的关系,进一步拓展了该接触模型的应用范围,其不仅可以计算简单硬质双球体的弹性接触问题,而且可以计算柔度较大的杆状机构的弹塑性接触问题。本文分析了接触过程中不同时刻接触点运动状态,研究了发生斜碰撞时柔性双连杆中应力波的传播。研究还发现柔性双连杆的斜碰撞过程存在二次压缩。通过将数值模拟的结果与实验结果及LS-DYNA仿真的结果对比,验证了该接触模型的正确性。本文通过数值模拟分析了不同恢复系数,不同摩擦系数对斜碰撞的影响。  (3)分析了柔性双连杆机械臂在摩擦滑动时的Painlevé悖论问题。研究时,基于绝对节点坐标法离散变形场,并引入改进后的接触模型研究了摩擦系数、接触刚度、能量恢复系数对Painlevé悖论现象的影响,并总结了柔性双连杆机械臂在特定构型下发生Painlevé悖论现象的典型特征。
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