Page 6 - 《振动工程学报》2026年第3期
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606                                振   动   工   程   学   报                               第 39 卷

                  换挡机械手是驾驶机器人的重要组成部分之                           特性，但只考虑了关节间隙大小的影响。上述研究
              一，由于需要长时间对车辆变速杆进行换挡操作，其                           大多只考虑了机构的单个关节间隙或双关节间隙，
              结构动力学特性对整体性能有着重要影响。其中，                            很少对机构的全部关节间隙进行研究分析，没有对
              关节间隙是影响换挡机械手运动学和动力学特性的                            关节间隙数量和位置进行研究，且有关非线性特性
                                  ［2］
              一个重要因素，卢伟等 对一种拖拉机换挡机械手                            的分析也不完整。
              进行了动力学分析，但仅仅将其视为不含关节间隙                                 考虑到这些局限性，本文主要内容包括：（1）建
              的质量均匀的简单刚体。CHEN 等 提出了一种驾                          立驾驶机器人换挡机械手关节间隙的运动学模型，
                                             ［3］
              驶机器人的多体动力学建模方法，但未考虑关节间                            基于改进的 L⁃N 接触力模型建立关节间隙法向接触
                                           ［4］
              隙对动力学特性的影响。李仁等 设计了基于电磁                            力模型，用修正的库仑摩擦模型描述关节间隙切向
              直驱控制策略的农机驾驶机器人，但未进一步研究                            接触力；（2）建立考虑多关节间隙影响的换挡机械手
              其动力学性能。上述文献针对驾驶机器人动力学的                            机构非线性动力学模型，并通过给出不同关节间隙
              研究大多停留在考虑完整关节的情况，对关节间隙                            位置、间隙数量和多间隙不同组合状态分析其非线
              的非线性动力学特性研究较少。目前关于关节间隙                            性动态特性。
              的研究主要采用接触力模型和摩擦模型。徐向阳                                  本文的工作安排为：首先，建立驾驶机器人换挡
                ［5］
              等 建立了柔性机械臂转动关节的关节间隙模型。                            机械手关节间隙的运动学模型；其次，建立含关节间
                    ［6］
              王见等 建立了含关节间隙的解耦并联机构弹性动                            隙驾驶机器人换挡机械手非线性动力学模型；然后，
              力学模型，但采用的 L⁃N 接触力模型将间隙接触面                         分析不同间隙位置、不同间隙数量和多间隙不同组
              视为是理想的刚性体，而实际应用中的接触面会存                            合状态对换挡机械手非线性动力学特性的影响规
                                   ［7］
              在弹性变形。郭天宇等 建立了混联机器人关节间                            律；最后，通过试验进一步验证非线性动力学特性分
              隙误差模型，但未进一步对其动力学特性进行研究。                           析的有效性。
              上述文献建立的关节间隙模型，由于采用的 L⁃N 模
              型基于理想化假设，其刚度系数和阻尼系数的适用                            1 换挡机械手关节间隙模型
              范围受到限制。
                  为了更好地实现车辆的自动驾驶，许多学者对                          1. 1 问题描述
              不同换挡机械手的动力学特性进行了研究。WANG
              等 对换挡机械手进行了动力学分析，但未研究其                                 驾驶机器人总体结构如图 1（a）所示，由转向机
                ［8］
              非线性动力学特性。周楠等 研究了考虑末端负载                            械手、换挡机械手、制动机械腿、油门机械腿和离合
                                       ［9］
                                                                机械腿分别控制转向盘、变速杆、制动、油门以及离
              波动的换挡机械手动力学特性，但未考虑关节间隙
                                                                合踏板。为了同时适用于手动挡车辆和自动挡车
              引起的动力学特性变化。关节间隙的存在会增加换
              挡机械手动力学模型和非线性特性分析的复杂性。                            辆，换挡机构被设计成平面二自由度的机构，且采取
              若将换挡机械手关节简化为理想关节，将导致其动                            拟人化的抓取模式，驾驶机器人换挡机械手结构如
              力学特性发生改变，进而降低整体工作性能                    ［10］ 。JI⁃  图 1（b）所 示 ，换 挡 机 构 由 基 座 、选 挡 电 机 、挂 挡 电
              ANG 等  ［11］ 建立了含关节间隙的机构动力学模型，但                    机、角度传感器、平面七连杆机构和机械抓手组成。
                                                                     在机械传动机构中，无论是制造误差还是后期
              只 是 一 个 单 关 节 间 隙 的 简 单 连 杆 机 构 。 CHAN
              等 ［12］ 提出一种基于间隙连接的平面模型分析方法，                       磨损等原因，都会使得关节间隙普遍存在于多连杆
              但只考虑了单个关节间隙。ARAILOPOULOS 等                  ［13］  机构中。关节间隙的存在使得机构的实际输出偏离
              提出一种关节间隙接触力建模方法，但没有进一步                            理想输出目标，甚至无法完成任务。对于汽车驾驶
                                                 ［14］           机器人换挡机械手，关节间隙的存在影响了其运动
              进行动力学特性分析。NATSIAVAS                  建立了双
              关 节 间 隙 机 构 模 型 ，但 仅 研 究 了 其 运 动 学 性 能 。          精度和动力学特性，使换挡过程中产生振动，严重时
              LAMPART 等    ［15］ 建立了双链机构动力学模型，但并                 会导致驾驶机器人换挡失败。
              未进行非线性特性分析。PI 等             ［16］ 建立了多关节间               含 关 节 间 隙 换 挡 机 械 手 机 构 原 理 图 如 图 2 所
              隙动力学模型，并分析了其动力学特性，但仅局限于                           示，换挡机械手由 6 根连杆和一根手杆组成，6 根连
              位移的简单特性。CHEN 等            ［17］ 建立了关节间隙模           杆可拆分为 A 1 B 1 C、A 2 B 2 C、A 3 B 3 C 三条支链，从右到
              型，分析了关节间隙对机械手机构非线性动力学特                            左依次记为支链 1、支链 2、支链 3。每条支链 i(i =
              性的影响，但只考虑了间隙大小这一个因素。高翔                            1，2，3) 包括两根连杆，与基座相连的杆依次记为杆
              等 ［18］ 研究了考虑关节间隙的车辆多维隔振系统振动                       i1，与其相连的另一根杆依次记为杆 i2，手杆记为杆
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