Page 14 - 《振动工程学报》2026年第3期
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614 振 动 工 程 学 报 第 39 卷
图 10（c）和（d）可知，换挡机械手操纵变速杆时，由 的位移误差、速度波动有较大影响，同时两条支链之
于关节间隙的存在导致关节处的轴和轴套产生碰 间又存在耦合作用。仿真与试验结果进一步验证了
撞，使得末端速度波动较大，但总体趋势与试验速度 建立的含关节间隙换挡机械手非线性动力学模型以
曲线的波动相吻合。相比于理想的无间隙曲线，含 及特性分析的有效性。
间隙换挡机械手速度曲线更接近试验值。由图 10
（e）和（f）可知，考虑关节间隙时的末端加速度曲线 4 结 论
比试验曲线波动更大，这是由于实际工作时机构的
动力学特性同时受多个非线性因素的影响，除关节 本文建立了含关节间隙驾驶机器人换挡机械手
间隙外，还有机构运动过程中的振动和关节摩擦、润 非线性动力学模型，分析了不同间隙位置、不同间隙
滑条件等，机构在工作时有较好的润滑条件，而在含 数量对换挡机械手位移、速度、加速度以及关节接触
力等非线性动力学特性的影响规律，并通过性能试
关节间隙的仿真模型中未考虑机构的润滑。
验进一步验证所提出非线性动力学特性分析的有效
性。与现有重要研究工作对比分析，得到以下结论：
（1）建立了含关节间隙的驾驶机器人换挡机械
手非线性模型，弥补了现有关于驾驶机器人研究中
未考虑关节间隙的不足。结果表明，关节间隙对换
挡机械手非线性动力学特性影响较大，不能简单将
其视作理想关节而忽略。
（2）着重研究了关节间隙位置、间隙数量和多间
隙关节不同组合状态对非线性动力学特性的影响。
结果表明，不同支链的关节间隙影响着不同方向上
的动力学特性，且复合关节处 C 的两个关节间隙 C 2
和 C 3 分别加剧选挡和挂挡两个方向动力学特性的
非线性程度，且关节间隙的增加加剧关节处轴和轴
套的碰撞，使得换挡机械手非线性动力学特性恶化。
（3）通过性能试验，进一步验证了非线性动力学
特性分析的有效性，同时也对现有仿真研究提供了
数据支撑。结果表明，含关节间隙的仿真曲线与试
验曲线趋势更为一致，说明在换挡机械手实际换挡
工作中，关节间隙的作用不可忽略。
本文未考虑关节处的变形、磨损、润滑，杆件柔
性以及变速器等方面的影响，后续将对此进行研究。
参考文献:
图 10 换挡机械手试验结果与仿真结果对比
Fig. 10 Comparison of test results and simulation results of
shift manipulator ［1］ CHEN Gang， JIANG Junhao， WANG Liangmo， et al.
Clutch mechanical leg neural network adaptive robust
综上分析可知，在换挡机械手实际工作中，关节
control of shift process for driving robot with clutch
间隙位置、关节间隙数量和多关节间隙不同组合状
transmission torque compensation［J］. IEEE Transac⁃
态对机构的末端位移误差、末端速度和末端加速度 tions on Industrial Electronics， 2022， 69（10）： 10343-
等性能有着不同程度的影响。换挡过程中，不同关 10353.
节间隙位置对位移误差的影响效果接近，但速度波 ［2］ 卢伟， 陈浩， 王玲， 等 . 拖拉机驾驶机器人换挡机械手
动和加速度波动出现的时机存在差异；关节间隙数 运动分析［J］. 农业机械学报， 2016， 47（1）： 37-44.
LU Wei， CHEN Hao， WANG Ling， et al. Motion
量对三项性能的影响效果明显，间隙数量越多，机构
analysis of tractor robot driver’s gear shift mechanical
末端位移误差越大，末端速度和加速度的波动也越
arm［J］. Transactions of the Chinese Society for Agri⁃
大；多关节间隙不同组合状态对三项性能的影响效 cultural Machinery， 2016， 47（1）： 37-44.
果更加复杂，选挡支链和挂挡支链分别对各自方向 ［3］ CHEN Gang， ZHANG Weigong， YU Bing. Multibody
