Page 5 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 39 卷第 3 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 3
2026 年 3 月 Journal of Vibration Engineering Mar. 2026

驾驶机器人换挡机械手非线性动力学特性分析

陈 刚 ， 顾梦彬 ， 王良模 ， 张为公 2
1
1
1
（1. 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094； 2. 东南大学仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096）

摘要: 为了研究关节间隙对驾驶机器人换挡机械手动力学特性的影响，对含关节间隙的驾驶机器人换挡机械手进行了非线性
动力学建模和特性分析。通过运动学模型得到关节中轴和轴套的相对穿透深度和速度。建立了基于改进的 Lankarani⁃Nikravesh
接触力模型（L⁃N 接触力模型）的关节间隙法向接触力模型，并运用修正的库仑摩擦模型进一步描述了关节间隙切向摩擦力。
在此基础上，分析了影响换挡机械手机构非线性动力学特性的因素，建立了含关节间隙驾驶机器人换挡机械手非线性动力学
模型，分别分析了不同间隙位置、不同间隙数量和多间隙不同组合状态对换挡机械手末端位移、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。结果表明，关节间隙位置、间隙数量和多间隙不同组合状态等对换挡机械手的换挡轨迹误
差和非线性动力学特性有着不同程度的影响。
关键词: 非线性动力学； 驾驶机器人； 换挡机械手； 关节间隙
中图分类号: TH113 文献标志码: A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202404052

Nonlinear dynamic characteristics analysis of shift manipulator
for vehicle robot driver

1
1
1
CHEN Gang ， GU Mengbin ， WANG Liangmo ， ZHANG Weigong 2
（1.School of Mechanical Engineering， University of Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；
2.School of Instrument Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）
Abstract: In order to study the influence of joint clearance on the dynamic performance of the shift manipulator for vehicle robot
drivers， the nonlinear dynamic model and characteristics analysis of the shift manipulator for vehicle robot drivers with joint clear⁃
ance are conducted. The relative penetration depth and velocity of bearing and shaft are obtained through the kinematic model of
joint clearance of the shift manipulator. Based on the improved Lankarani-Nikravesh contact force model （L-N contact force mod⁃
el）， the normal contact force model of joint clearance is established， and the modified Coulomb friction model is used to establish
the tangential friction force model of joint clearance. On this basis， the factors affecting the nonlinear dynamic characteristics of the
shift mechanism are analyzed， and the nonlinear dynamics model of the shift manipulator for vehicle robot drivers with joint clear⁃
ance is established. The influence of different clearance joint positions and numbers and combination states on the end displace⁃
ment， end velocity， end acceleration， and joint contact force of the shift manipulator is analyzed. The results show that the joint
clearance has a varying level of influence on the gear shift trajectory and the nonlinear dynamic characteristics of the shift manipula⁃
tor.
Keywords: nonlinear dynamic； robot driver；shift manipulator；joint clearance

车辆测试对于车辆设计和制造十分重要，车辆 时提高试验效率和试验精度。此外，装备手动变速
测试具有重复性强、危险性大、试验环境恶劣等特 器的车辆因其省油、传动效率高等优点而仍被广泛
点，同时试验人员难以严格按标准要求完成试验。 使用，驾驶机器人换挡机械手可实现对手动挡车辆
［1］
驾驶机器人可以安装在驾驶舱内，无需对现有车辆 的自动驾驶功能。经过车辆性能自学习训练 ，驾
进行任何改装，替代人员完成危险恶劣环境下的可 驶机器人可适用于不同车型的车辆。本文将研究关
靠性试验、三高试验、排放耐久性试验、燃油经济性 节间隙对驾驶机器人换挡机械手非线性动力学的
试验等车辆测试试验，可在保障试验人员安全的同 影响。

收稿日期: 2024-04-21； 修订日期: 2024-10-23
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51675281）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（30918011101）