劉 霞

（新疆工程學院機電工程學院，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

自由度指的是根據(jù)機械手結構原理，當機械手具有確定運動時所必須給定的運動數(shù)目，兩自由度就是指給定的運動數(shù)目為兩個[1]。機械手的運動數(shù)一般情況下以F 表示，F(xiàn) 的取值范圍為0～6，本文針對F=2 時展開詳細研究。自由度作為機械手在設計中的關鍵參數(shù)，自由度運動數(shù)目越多，代表機械手的靈活性越大，通用性也就越廣，其內(nèi)部結構也越復雜?？梢詫勺杂啥葯C械手結構振動看作一個機構，即該機構各構件間可有相對運動[2]。

傳統(tǒng)機械手結構振動主動抑制方法，不但設計過程極為復雜，而且無法有效主動抑制機械手結構的彈性振動，針對柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制效果不佳。而兩自由度柔性并聯(lián)機械手不同于其他機械手結構振動的主動抑制方法，在主動抑制時必須考慮柔性并聯(lián)的主要特性，其中包括運行控制靈活以及智能化程度高[3]。由于兩自由度柔性并聯(lián)機械手具有非常多的不確定因素，為了保證該結構振動主動抑制的穩(wěn)定性以及魯棒性，增強抑制機械手結構的彈性振動效果，本文對該機械手結構振動主動抑制方法進行研究。

1 兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制方法

1.1 確定機械手結構振動滑移面

在確定機械手結構振動滑移面前，必須明確兩自由度柔性并聯(lián)機械手的主要結構[4]。兩自由度柔性并聯(lián)機械手主要結構包括電機、滑動桿、動平臺和主動臂，其結構振動滑移面是由于主動臂根據(jù)機構自由度擺動所形成的平面機構自由度以及空間機構自由度。由于有兩個原動件，因此可以提供兩個獨立參數(shù)[5]。

1.2 建立機械手結構振動主動抑制局部坐標系

根據(jù)兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動的彈性變形，建立機械手結構振動主動抑制局部坐標系。假定在兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動過程中，只有兩自由度柔性并聯(lián)機械手的主動臂彎曲變形，忽略其余細微變形[6]。設主動臂的任意一點x 的局部坐標為r，則r 的計算公式如式（1）所示。

其中，l1、l2和l3分別為機械手主動臂的長度、機械手動平臺的長度和機械手滑動桿的長度，θ 為機械手主動臂與動平臺的夾角[7]。

根據(jù)式（1），建立機械手結構振動主動抑制局部坐標系，機械手結構振動主動抑制局部坐標系（圖1），跟蹤兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動軌跡[8]。

1.3 主動抑制機械手結構彈性振動

在得出的兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動軌跡基礎上，可以在機械手主動臂上安裝滑模變結構控制器，主動測量兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動的物理位移以及速度，從而完成兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制。

圖1 手結構振動主動抑制局部坐標系

2 實驗

2.1 實驗準備

本文通過構建實驗，對機械手結構振動主動抑制中的關鍵性能主動抑制力矩進行定量考核。本次實驗選取鋁合金的機械手作為實驗對象；機械手的彈性模量為72.4 GPa；機械手電動機質量為0.86 kg；滑動桿質量為0.69 kg；動平臺質量為1.25 kg；主動臂為0.65 kg。本次仿真選取的機械手具體結構參數(shù)見表1。

表1 機械手結構參數(shù)cm

結合表1 信息，分別使用傳統(tǒng)抑制方法以及本文設計抑制方法進行實驗，設置傳統(tǒng)的抑制方法為實驗對照組。驗證環(huán)境為：Ceapctly 仿真實驗軟件，使用Logo 語言，主要用于對機械手結構振動主動抑制的仿真模擬。仿真實驗主要內(nèi)容為分析兩種抑制方法的主動抑制力矩，從而評定主動抑制性能更高的抑制方法。在此次的仿真實驗中，以0.2 t/s 為一個時間節(jié)點，共設置5 個時間節(jié)點，共進行5 次實驗。針對Ceapctly 仿真實驗軟件測得的主動抑制力矩，記錄實驗結果，并繪制機械手結構的彈性振動主動抑制曲線，進而判斷兩種抑制方法對于機械手結構振動的主動抑制能力。

2.2 實驗結果分析與結論

根據(jù)上述設計的仿真實驗步驟，采集5 組實驗數(shù)據(jù)，將兩種抑制方法下的機械手結構的彈性振動主動抑制曲線進行對比，機械手結構的彈性振動主動抑制曲線對比結果如圖2 所示。

由圖2 可得出如下結論：本文設計的抑制方法機械手結構的彈性振動主動抑制曲線明顯較實驗對照組更加平穩(wěn)，主動抑制能力更強，可以實現(xiàn)機械手結構振動主動抑制。通過仿真驗證結果，證明所設計的抑制方法其各項功能均可以滿足設計總體要求，可以廣泛應用于機械手結構振動主動抑制方面。

圖2 機械手結構的彈性振動主動抑制曲線對比

3 結束語

綜上所述，機械手結構的彈性振動主動抑制曲線的波動幅度是保證機械手結構振動主動抑制效率以及質量的主要衡量標準，而針對兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制方法的設計可以大幅提高機械手結構振動主動抑制精度。兩自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制方法不但能完成傳統(tǒng)抑制方法不能完成的任務，還能為機械手結構振動主動抑制領域的研究提供學術意義。本文的不足之處在于沒有對多自由度柔性并聯(lián)機械手結構振動主動抑制方法進行深入分析，相信這一點也可以作為機械手結構振動主動抑制方法未來的研究方向之一。