摘要：随着我国现代化进程的不断推进，传统的刚性机器臂已经无法满足高速发展的工业生产需求，各项生产性能和工业制造精度也在不断提高。因此，总质量较轻且结构紧凑的柔性臂结构成为了突破现今工业机器人生产限制的关键技术，同时也是工业机器人领域内的研究热点之一。弹性震动问题直接影响柔性臂的生产性能，本文基于柔性臂原理和结构特点，介绍了柔性臂结构设计和控制系统设计思路，最后通过分析振动影响，从动力学特性以及系统控制策略的角度，展望了柔性臂结构工业机器人的应用前景。
关键词：柔性臂;结构设计;动力学;控制策略
随着我国工业改革的不断深入，航空、航天、汽车、重工等工业领域广泛采用了机械臂进行相关的生产活动。然而，由于现代科技的不断发展，新技术的不断突破，传统刚性机械臂无法实现高精度、高负载、高速的现代化工业生产。因此，柔性臂作为一种能耗低、重量轻的新型自动化操作装置，受到国内外的广泛关注，特别是电子仪器的精加工、自动化微装配生产线、精密仪器生产等领域都广泛采用柔性臂结构。柔性臂结构工业机器人是一种多输入、多输出、非线性的机械臂系统且具有一定的固有振动特性，因而在超高速、高负载等复杂多变的工况下柔性臂结构的动力学运动轨迹极其复杂，长时间作业时机械臂会发生定位误差、精度下降。因此，需要综合考虑柔性臂工业机器人的动力学特性和控制策略，进而设计出合理、稳定的机械臂结构。
1柔性臂及其原理
柔性臂工业机器人是通过杆件柔性和关节柔性两种柔性表现形式来进行工业生产的，这两种柔性表现形式为工业机器人提供了更多的自由度，并可以将刚性机械臂转换成具有高自由度的柔性臂。杆件柔性是指在柔性臂运动过程中柔性杆在接触区产生杆件的弹塑性变形、弯曲、拉伸时，通过波传递到杆中对机械臂的承受载荷产生较大影响的一种柔性表现形式。关节柔性是在减速器运转、转轴转动时产生的一种柔性表现形式，柔性臂杆件原理结构如图1所示：
2柔性臂结构设计要点
柔性臂工业机器人基于结构特性分为柔性杆件臂、柔性关节臂、混合柔性臂等类别。柔性臂由于其特殊的结构特点，在工业生产中会发生柔性形变，柔性臂末端将出现抖动现象使得生产精度无法得到保证，因此设计柔性臂工业机器人的控制系统是极其重要的，需要在保证柔性臂定位精度的同时确保柔性臂系统的稳定性。此外，工业机器人在生产时需要由动力系统驱动机械臂，传统刚性臂工业机器人大多基于电磁电机构建驱动系统，齿轮、丝杠容易出现传动误差以及惯性干扰。现代超声电机则具有良好的驱动性能、高精度的控制效果能够构建响应时间短、结构紧凑的驱动系统，因此现代超声电机组成的驱动系统被广泛应用在柔性臂工业机器人系统中。
3柔性臂的动力学及其控制
柔性臂具有特殊的力学结构和非线性、强耦合的复杂动力学系统，因而在研究柔性臂时，需要对其进行整体建模进而研究动力学特性，构建完善的动力学系统。目前，大多数柔性臂工业机器人是包含刚性和柔性机械臂的耦合非线性系统，同时也包含动力系统和控制系统耦合的非线性系统。因此，针对柔性臂进行动力学建模不仅能研究柔性臂的精确性和稳定性等特征，也能为设计控制系统提供相应的参数。柔性臂的动力学建模主要是基于拉格朗日方程以及欧拉方程构建，根据变分原理、虚位移原理进行分析。由于柔性臂是集中参数和分布参数构成的混合系统，因此在机械臂生产过程中，由于运动产生的科氏力使得该非线性动力方程不易求解，通常需要通过一定的方法将偏微分方程转化为常微分方程。对于柔性臂工业机器人控制系统则基于柔性臂动力学分析结果进行控制策略设计，控制策略设计的主要功能是实现振动控制和轨迹控制，而控制系统的主要用途则是在生产过程中受力产生弹性变形和振动时，保证柔性臂的末端能够准确定位。
4结语
传统的刚性臂工业生产机器人由于其自由度较低、能耗高、生产精度低、机械臂杆较短等缺点，已无法满足现代化高精度自动化生产的要求。而与传统刚性臂工业机器人相比，柔性臂工业生产机器人则由于结构紧凑、承载负重大、总质量较轻等性能优势被广泛应用于航空航天、工业生产等领域，具有极高的学术研究价值和工程应用价值。
参考文献：
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作者:张健宝 单位:山东省胶州市实验中学