Page 11 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 陈 刚，等： 驾驶机器人换挡机械手非线性动力学特性分析 611

表 2 换挡机械手仿真参数 由图 5 的结果可知，关节间隙 B 2 和 C 2 对选挡方
Tab. 2 Simulation parameters of shift manipulator
向上的位移误差和加速度影响较大，而关节间隙 B 3
参数 参数信息 参数 参数信息 和 C 3 对挂挡方向上的位移误差和加速度误差影响
最大临界速度
0.9 100 较大。这是由于关节 B 2 与 C 2 在换挡机械手的选挡
恢复系数 c e
-1
v max /(mm·s )
杨氏模量 E/GPa 207 积分步长 0.0001 支链上，对选挡方向上位移和加速度的影响经过手
泊松比 ʋ 0.3 相对误差 0.00001 杆 l pc 会有明显的几何关系放大，放大比例与手杆 l pc
0.5 仿真时间/s 8
摩擦系数 c f 的长度有关；关节 B 3 和 C 3 在挂挡支链上，因此对挂
Baumgarte 挡方向的影响较大，但在换挡方向上的影响不存在
修正因子 α 5 间隙位置 B 2 、B 3 、C 2 、C 3
Baumgarte 无间隙、 放大现象，主要受间隙尺寸本身的影响。关节间隙
修正因子 β 5 间隙数量 双间隙 位置的不同对选挡速度和挂挡速度的影响不大，这
最小临界速度 是由于机构末端的速度主要由驱动电机的输入速度
1 间隙尺寸/mm 0.1
-1
v min /(mm·s )
决定，间隙的存在会使其运动过程产生冲击，造成一
其中，关节间隙大小对换挡机械手非线性动力 定程度的速度波动，但是在整个换挡过程中的速度
学特性的影响见文献［17］，本文对关节间隙位置、间 较理想状态不会产生较大偏差。此外，由于关节 C
隙数量和多间隙不同组合状态对换挡机械手非线性 为复合关节，换挡机械手机构的选挡支链和换挡支
动力学特性的影响进行了仿真分析。
链通过该关节连接在一起，由于两条支链所传递运
3. 1 关节间隙位置对非线性动力学特性的影响 动的方向存在一定夹角，使得选挡方向和挂挡方向
上的运动互相干扰，造成位移误差和加速度曲线存
为了分析不同关节间隙位置对换挡机械手位移
在快速波动。
误差、速度以及加速度的影响，分别设置驾驶机器人
换挡机械手不同位置的关节间隙 B 2、 B 3、 C 2 以及 C 3， 3. 2 关节间隙数量对非线性动力学特性的影响

设置关节间隙均为 0.1 mm，得到关节间隙位置影响
在驾驶机器人换挡机械手实际的工作情况下，
的仿真结果如图 5 所示。
会同时存在多个关节间隙，为了进一步分析关节间
隙数量对换挡机械手位移误差、速度以及加速度的
影响，对无间隙、三间隙（B 1、 B 2、 B 3 ）以及全间隙（B 1、
B 2、 B 3、 C 2、 C 3 ）分 别 进 行 仿 真 ，设 置 关 节 间 隙 均 为

0.1 mm，结果如图 6 所示。
由图 6 的结果可知，关节间隙的数量对换挡机
械手非线性动力学特性有着较大的影响。相比于无
间隙的理想情况，三间隙时机构末端的位移误差和
加速度曲线会产生明显波动，而对于选挡速度和挂
挡速度曲线，虽然关节间隙数量的增加会加剧机构
运动过程的冲击程度，同样地，由于其主要由驱动电
机的输入速度决定，所以总体波动程度较小，全关节
间隙时的位移误差、速度和加速度的波动幅度较三
关节间隙时均更大。即随着关节间隙数量的增加，
曲线的波动程度也有所增加。相比于三间隙情况，
考虑复合关节间 C 的全间隙的情况下波动幅度有所
增加，说明在全间隙情况下 C 2 和 C 3 关节间隙存在相
互影响。这是由于复合关节 C 处同时连接选挡支
链、换挡支链和辅助支链，两条主动支链输入的运动
在此产生耦合，然后将该运动输出至机构末端的抓
手，因此各条支链的运动之间会产生相互干扰，从而
图 5 关节间隙位置对换挡机械手非线性动力学特性的影响
使 输 出 端 位 移 误 差 、速 度 、加 速 度 曲 线 产 生 更 大
Fig. 5 Influence of joint clearance position on nonlinear
dynamic characteristics of shift manipulator 波动。