運動力學研究全文(5篇)

摘要：運動力學是研究物體運動規(guī)律的，通常指的是物體的運動.隨著現(xiàn)代運動力學理論的不斷延伸發(fā)展，其在很多領(lǐng)域已經(jīng)有了比較深入的應(yīng)用.基于此，在本文的研究中，主要對運動力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進行論述，并結(jié)合一些實際機械設(shè)計案例，對運動力學的應(yīng)用價值和作用進行分析，希望可以對相關(guān)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域?qū)\動力學的科學運用起到一定的參考和啟發(fā)作用.

關(guān)鍵詞：運動力學；零部件鏈接；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計應(yīng)用；疲勞力學

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，會運用很多原理，其中運動力學原理發(fā)揮著非常重要的理論指導作用.在物理學的很多力學實驗中，運動力學也是受到很多研究人員重視和關(guān)注的.可以說，運動力學作為機械科學與物理學科的一種連接紐帶，通過科學合理的應(yīng)用運動動力學，對于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的改良和優(yōu)化，具有十分有價值的指導意義.機械機構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率的提升，離不開運動力學理論的支撐.因此，本文通過對運動力學進行深度解析，并將機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要素進行系統(tǒng)歸納總結(jié)，結(jié)合一些實際案例，對運動力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用問題進行分析.

1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在應(yīng)用中的技術(shù)要素

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械工藝技術(shù)革新的重要技術(shù)手段，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計中很多關(guān)鍵技術(shù)要素，正是決定機械機構(gòu)設(shè)計水平的基礎(chǔ).運動力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)要素的改良優(yōu)化，并且在設(shè)計工藝、生產(chǎn)效率方面也要得到提升.機械機構(gòu)設(shè)計在幾何層面、理論原理層面，要遵循精密設(shè)計技術(shù)的原則指導，保證零部件之間實現(xiàn)精細緊密的咬合，并保證咬合力得到一定程度的提升.在機械機構(gòu)運動過程中，咬合力能夠隨著機械零部件的轉(zhuǎn)動，而實現(xiàn)動態(tài)的變化，保持同機械運動作業(yè)要求相符合的力度要求.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中要對不同的面進行優(yōu)化，通過應(yīng)用運動力學原理，保證每一個不同的面上的用力、收禮以及摩擦阻力等，在機械設(shè)備運轉(zhuǎn)的過程中，達到和動態(tài)平衡變化.

2運動力學在機械結(jié)果設(shè)計中的應(yīng)用

運動力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有著很高的應(yīng)用價值.從當前的實踐應(yīng)用情況來看，其價值主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

0引言

工業(yè)經(jīng)濟雖然在知識經(jīng)濟時代的來臨和沖擊之下，逐漸走向了式微的發(fā)展階段，但這并非意味著在社會生活和經(jīng)濟生產(chǎn)中，已經(jīng)失去了往昔的主導地位，仍舊存在著不可忽略的價值和功能，并在國家復興的進程中，具有強大的助推作用。作為傳統(tǒng)工業(yè)部門中的代表，機械制造業(yè)不但在經(jīng)濟發(fā)展的助推中，作用絕非可有可無，而且在當前科技創(chuàng)新的研究領(lǐng)域中，其平臺作用也是不可小覷。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理中，運動力學在其中的干預作用最大，在物理學的實驗活動中，也最受研究人員的重視和關(guān)注。

1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的在應(yīng)用中的技術(shù)要素

作為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要組成部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵要素，正是促進技術(shù)革新的重要手段之一。伴隨著科研活動中的理論基礎(chǔ)的日益夯實和技術(shù)應(yīng)用范圍的日趨擴大，物理學中的相關(guān)原理也逐漸擁有了充足的用武之地，在實際機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，不斷滿足著機械結(jié)構(gòu)的符合要求，并促進生產(chǎn)水平的解放和提升。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計層面的幾何要素上進行分析，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，秉持著其精密的設(shè)計技術(shù)的指導和應(yīng)用，在零部件之間能夠?qū)崿F(xiàn)咬合力的提高，并實現(xiàn)位置關(guān)系的明確定位和精密確定。在這種幾何要素的關(guān)系體系之內(nèi)，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)鍵的因素，便是不同的面，在這些不同的面上，通過完善和優(yōu)化的考量，來保證在零件的不同接觸面上，都可以進行合理的安排。

2運動力學在機械結(jié)果設(shè)計中的應(yīng)用

運動力學在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用價值，主要體現(xiàn)在2個方面：

（1）在零部件的鏈接方面。在這一環(huán)節(jié)中，誠如上文中論述的那樣，存在著直接鏈接和間接鏈接的差別，由于存在著應(yīng)用方面的差別，所以在運動力學的應(yīng)用潛力上，也存在著截然相異的表現(xiàn)。但是作為機械設(shè)計中的核心要素，運動力學所產(chǎn)生的抽象指導上，從根本上也是如出一轍。例如，利用力矩的變化，通過計算不同聯(lián)接點的摩擦力和壓力，從而可以了解到不同的節(jié)點的壓力和零件的材料選擇等。在力學計算和相應(yīng)的選擇性指標的衡量下，構(gòu)成決定零件的選材和位置的排列組合等等，都體現(xiàn)出這一點。

一、具身經(jīng)濟學研究方法;社會動力學范式

已經(jīng)有研究探討了模仿在發(fā)生軀體社會互動之中或之后對人的偏好和經(jīng)濟決策上的影響，表明了軀體動作在經(jīng)濟學中的作用。更好地理解運動行為是如何影響經(jīng)濟決策的一個可能性是把社會神經(jīng)經(jīng)濟學與模仿的實驗范式進行對比。在社會動力學的范式下進行社會神經(jīng)經(jīng)濟學實驗可能是探索這一目標的一個選擇。社會動力學的范式是一個新穎的范式，它可以獲得實時的自發(fā)軀體吸引和運動黏合，在個體交換信息的時，兩人一組執(zhí)行一個運動，每個人都按照他們自己的頻率和振幅運動，不帶其他的步調(diào)。被試沒有得到任何關(guān)于彼此運動方式的的指導:因此可能出現(xiàn)的人際溝通協(xié)調(diào)模式是無意識的。當(視覺)信息沒有發(fā)生交流時，個體獨立地按照他自己的頻率運動。然而，當他們分享他們之間的信息時，他們無意識地采取了一個同步的人際協(xié)調(diào)模式，他們的活動在時空上和頻率上出現(xiàn)了無意識匹配。當他們停止分享信息，他們的運動頻率就會出現(xiàn)偏離。有趣的是當這種信息的交流結(jié)束了后，他們的運動頻率沒有回到初始頻率。仔細觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)他們各自的個體運動依然受他們參加過的軀體社會互動的影響。結(jié)果清晰地表明了臨時性相位鎖定和頻率鎖定的關(guān)聯(lián)(coupling)在后續(xù)行為中的一致性影響，即當人們不再存在于彼此面前的時候:某種運動社會記憶仍然存在。因此我們可以猜測是不是在他們互相交換信息上和在軀體上互相影響彼此時，自發(fā)同步的方式經(jīng)驗性的改變了他們經(jīng)濟決策的方式。

二、社會動力學范式神經(jīng)生理學研究成果

此外，社會動力學范式的神經(jīng)生理學版本，雙腦電圖儀系統(tǒng)揭示了一個新的腦波律動，社會互動的某種“神經(jīng)中樞”(neuromarkers)。被稱作Phi，頻率在10赫茲的波定位在右中央頂皮層，隨著個體間協(xié)調(diào)行為的顯現(xiàn)和結(jié)束而出現(xiàn)和消失。這一發(fā)現(xiàn)無疑在大腦水平上解釋了從不協(xié)調(diào)的社會互動到協(xié)調(diào)的社會互動的轉(zhuǎn)變。在一項后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)當人們有意地去協(xié)調(diào)時，Phi的量級更大。神經(jīng)系統(tǒng)版本的社會動力學范式提供了一個新的視角，解決了關(guān)于前面報告的從不協(xié)調(diào)行為到協(xié)調(diào)行為的轉(zhuǎn)化是否在腦水平上也有一個相似的行為這一問題。當研究個體參與社會經(jīng)濟游戲時這樣的一個結(jié)果在社會神經(jīng)經(jīng)濟學中是有著極大的相關(guān)性的。社會協(xié)調(diào)性的神經(jīng)中樞的存在表明了人們協(xié)調(diào)與否。它量級的大小可能揭示了人們模仿和協(xié)調(diào)意圖性強弱。從而為具身神經(jīng)經(jīng)濟學打開了新的研究視野。

三、小結(jié)

過去的十年間，認知神經(jīng)系統(tǒng)科學家對危急關(guān)頭的心理狀態(tài)的神經(jīng)生理基礎(chǔ)感興趣，他們已經(jīng)注意到和使用了來自于被良好控制的實證范式研究的結(jié)果中的具身因素的強烈影響。我們建議進一步發(fā)展具身經(jīng)濟學背后的理論基礎(chǔ)是相當明確的:為什么要阻止經(jīng)濟行為人了解彼此在軀體上的存在呢?如果軀體影響在決策動力上沒有一個顯著的效應(yīng)的話。我們堅信通過考慮我們整個軀體在經(jīng)濟交換中的作用，而不僅僅是大腦的作用，經(jīng)濟學會更加接近真實的生活。換言之，當‘軀體說話時’，經(jīng)濟學家恐怕最明智的做法是去細心的傾聽……

作者：高友明 單位：湖南師范大學教育科學學院

摘要：本文將圍繞柔性機械臂動力學建模與控制進行研究，注重柔性機械臂系統(tǒng)描述以及柔性機械臂數(shù)學模型的構(gòu)建，旨在保證柔性機械臂系統(tǒng)的完整性，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柔性機械臂；動力學建模；動力學控制

隨著現(xiàn)代化科學信息技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性機械臂的功能越來越突出，詳細的對柔性機械臂動力學中PID控制器、反饋線性化控制、奇異攝動法控制、變結(jié)構(gòu)控制以及反演控制法進行研究，從而提升其應(yīng)用水平。

1柔性機械臂動力學建模研究

1.1柔性機械臂系統(tǒng)描述。柔性機械臂系統(tǒng)主要包括柔性關(guān)節(jié)機械臂傳動系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)機械臂傳感系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)等幾個方面。其中，柔性關(guān)節(jié)機械臂傳動系統(tǒng)是機電系統(tǒng)的重要組成部分，是保證機電設(shè)備安全運行的關(guān)鍵，柔性關(guān)節(jié)機械臂傳動系統(tǒng)包含的方面具有多樣性，主要包括連桿結(jié)構(gòu)、鏈傳動等。柔性關(guān)節(jié)機械臂傳感系統(tǒng)是提升系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵，其評價指標具有多樣性，主要包括分辨率、溫度范圍、震動能力等，其中動態(tài)響應(yīng)特征為關(guān)鍵的評價指標。柔性關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)中的底層控制系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)進行整合處理，為了保證傳輸?shù)津?qū)動電機控制信號的準確性，要對數(shù)據(jù)的反饋程序進行優(yōu)化，其中底層控制系統(tǒng)主要是可編程邏輯門陣列發(fā)揮作用。上層系統(tǒng)的數(shù)字處理器的處理數(shù)據(jù)信息的速度較快，可以準確的掌握柔性機械臂系統(tǒng)的具體位置，保證數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的精確性。1.2柔性機械臂數(shù)學模型。柔性機械臂動力學建模的前期需要建構(gòu)柔性機械臂數(shù)學模型，根據(jù)柔性機械臂動力學方程的運算情況得出柔性機械臂系統(tǒng)的勢能以及動能表達式，其中，影響柔性關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)的因素具有多樣性，主要包括重力勢能以及彈性勢能。假設(shè)有T個自由度的柔性機械臂，需要對2T個剛體的動能進行計算，其中2T中主要涉及T個電機轉(zhuǎn)子動能以及T個剛性連桿的動能。在列動能方程式時要將連桿的位置矢量以及欄桿的慣量矩陣充分考慮在內(nèi)，并根據(jù)電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速率推算出V-1個連桿的相對速率。在柔性機械臂動力學建模的環(huán)節(jié)中，要對關(guān)節(jié)減速比設(shè)定為N=160、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量、電機減速前以及減速后的角度、連桿質(zhì)量、連桿轉(zhuǎn)動角度進行設(shè)定。

2柔性機械臂動力學控制分析

2.1PID控制器進行控制。PID控制器在實際的應(yīng)用環(huán)節(jié)中操作簡單方便并且實用性較強，主要應(yīng)用在剛性機械臂中，PID控制器為了在柔性關(guān)節(jié)機械臂中充分發(fā)揮作用，要借助重力補償?shù)膬?yōu)勢完善柔性關(guān)節(jié)的狀態(tài)反饋結(jié)構(gòu)，將狀態(tài)變量進行優(yōu)化，其中狀態(tài)變量主要包括電動機轉(zhuǎn)動角度以及時間求導，可以有效的對柔性關(guān)節(jié)機械臂進行軌跡控制，有利于保證柔性機械臂系統(tǒng)的安全運行。在應(yīng)用PID控制器的環(huán)節(jié)中，需要將關(guān)節(jié)柔性以及柔性補償?shù)扔绊戧幰蛩乜紤]在內(nèi)，從而提升柔性機械臂系統(tǒng)的性能[1]。2.2反饋線性化控制。反饋線性化控制的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認可，反饋線性化控制主要是借助狀態(tài)空間表達式的坐標變換，對其線性系統(tǒng)進行優(yōu)化的過程，逐步形成新等效系統(tǒng)。其中，反饋線性化控制具有線性系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢，可以有效的對柔性機械臂進行控制。在狀態(tài)向量的變換環(huán)節(jié)中，要借助柔性機械臂動力學模型，對其進行控制。當反饋線性化等效發(fā)生變化時，要計算出位置對時間求導后的速度，并借助非線性觀測器進行控制[2]。同時，由于反饋線性化控制的系統(tǒng)模型的準確性較低，在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)中，對使用效果的影響較大。2.3奇異攝動法控制。奇異攝動法控制應(yīng)用速度較快，其中主要涉及邊界層法。邊界層法是對高階系統(tǒng)進行分解，從而降低系統(tǒng)方程的階數(shù)，提升慢變系統(tǒng)以及快變系統(tǒng)的相似度。在從高階系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A系統(tǒng)中，要結(jié)合慢變系統(tǒng)以及快變系統(tǒng)自身變化的實際情況設(shè)計出科學的控制對策。當奇異攝動法在柔性機械臂系統(tǒng)中應(yīng)用時，要將連桿狀態(tài)以及關(guān)節(jié)的彈力設(shè)定為慢變量、快變量。其中，奇異攝動法控制需要考慮的因素較少，但是控制器參數(shù)的準確性較低，在實際的應(yīng)用環(huán)節(jié)中控制效果較差，對柔性機械臂的系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。2.4變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制的穩(wěn)定性較差，與系統(tǒng)的變化狀態(tài)有關(guān)。在閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變換過程中，要借助切換函數(shù)的優(yōu)勢，將切換前與切換后的性能進行融合。其中滑模變結(jié)構(gòu)是變結(jié)構(gòu)控制的一種，在控制量切換的環(huán)節(jié)中保證系統(tǒng)處于正常運行的狀態(tài)，一定程度上與切換函數(shù)有關(guān)。滑模變結(jié)構(gòu)是可以準確的對控制對象的狀態(tài)變量進行控制，狀態(tài)軌跡會出現(xiàn)小幅度的運動。同時，滑動模態(tài)在運行的環(huán)節(jié)中不易受到外界因素的影響，有利于保證系統(tǒng)的安全運行。其中，變結(jié)構(gòu)控制可以高效的對柔性機械臂系統(tǒng)進行控制，當柔性機械臂系統(tǒng)在運行時，變結(jié)構(gòu)控制可以降低系統(tǒng)負載的變化，并在機器人中廣泛應(yīng)用[4]。

一、優(yōu)化教學內(nèi)容，突出基本概念和理論，重視理論聯(lián)系實際

（一）靜力學部分

靜力學主要研究受力物體平衡時作用力應(yīng)滿足的條件，同時也研究物體受力的分析方法以及力系簡化方法，是理論力學基礎(chǔ)重要的部分，也是后續(xù)課程的基礎(chǔ)。因此，講授該部分時要適當增加課時，而對大學物理中已經(jīng)講過的一些概念，可以引導學生以復習的形式加深對這些概念的理解。約束反力是理論力學中比較重要的概念，而大學物理學中沒有提過，因此必須給學生講解透徹。但是單純講概念比較抽象，引入工程實例后學生會易于理解與接受。例如物體受力分析和平衡方程是靜力學的基礎(chǔ)部分，可以對工程實例（比如活塞連桿機構(gòu)）進行分析，得到力學模型，除外力外根據(jù)約束類型畫出機構(gòu)各部分的約束力，然后列出平衡方程并求解，這樣既可以提高學生力學建模的能力，也有利于提高學生應(yīng)用平衡方程解決問題的能力。對摩擦問題主要講清存在摩擦時的平衡范圍和臨界狀態(tài)的概念，重點是存在摩擦時平衡問題的解法，滾動摩阻可不舉例。

（二）運動學部分

運動學部分主要研究物體運動的幾何性質(zhì)，為學習動力學打基礎(chǔ)，同時也為分析機構(gòu)運動打下了基礎(chǔ)。這部分關(guān)于點的運動和剛體的簡單運動是基本內(nèi)容，可以通過向?qū)W生提出問題，然后讓學生自學，最后在課堂上對實際問題進行討論總結(jié)，這樣可以培養(yǎng)學生自學能力和解決問題的能力。該部分的重點和難點是點的合成運動和剛體平面運動以及運動學的綜合運用。點的合成運動要結(jié)合實例強調(diào)“一個點、兩種坐標系、三種運動”，特別要講清牽連運動的概念與動坐標系的適當選取。而關(guān)于速度合成定理和加速度合成定理的推導限于課時限制，由學生課下自行推導，課堂上強調(diào)應(yīng)用。尤其當牽連運動是定軸轉(zhuǎn)動時，牽連運動和相對運動相互影響產(chǎn)生了科氏加速度，教材上的理論推導較抽象，對農(nóng)業(yè)機械化學生來說感到茫然，通過舉實際生活中的例子，比如田徑比賽中的長跑項目，運動員都是按規(guī)定向左轉(zhuǎn)彎；又比如在俄羅斯，向北冰洋流去的那些河流河床的東岸總是容易被沖刷，這都是由于科氏加速度的原因。運動學的綜合應(yīng)用是運動學中的難點，這部分內(nèi)容可通過刨床機構(gòu)的實例進行講解。

（三）動力學部分

動力學部分主要是建立受力和運動之間的關(guān)系，質(zhì)點動力學方程是該部分的基本內(nèi)容，動量定理、動量矩定理和動能定理都是建立在質(zhì)點動力學基本方程基礎(chǔ)上的，關(guān)于這三大定理的推導可略講，而對質(zhì)心運動定理、質(zhì)點系相對質(zhì)心的動量矩定理以及普遍定理的綜合應(yīng)用則結(jié)合具體的工程實例進行講解。比如講解動量守恒時，可以偏心轉(zhuǎn)子電動機為例，向?qū)W生提出以下問題：電動機工作時為什么會左右運動？這種運動有什么規(guī)律？會不會上下跳動？帶著這些問題，學生聽課時就有了目標。對于普遍定理的綜合應(yīng)用部分是動力學中的難點，要給學生講清解題思路，通過一題多解的方式提高學生解決問題的能力。達朗貝爾原理是用靜力學方法求解動力學問題，虛位移原理是用動力學方法求解靜力學平衡問題。