此文重点讨论的含压电材料的刚柔－机电耦合智能复合材料机械臂的动力学分析和控制是基于当前刚－柔耦合动力学基础、压电材料理论及主动控制方法等知识，因此本小节就当前刚－柔耦合动力学、压电材料、控制方法的研究现状进行简述概括。79443

1 刚－柔耦合动力学

本文在研究中心刚体-柔性梁(hub-beam)系统的基础上，进一步分析该系统在高速旋转状态下的动力学分析与控制。在以上文字中论述过的，中心刚体－旋转柔性梁系统中的刚柔耦合动力学问题等同于考虑梁的弹性变形并针对弹性变形和刚体运动之间的耦合作用的研究应属于柔性多体动力学的探索研究范畴。处理柔性多体动力学的方法历经了多个阶段，在这之中，最初期的阶段是运动－弹性动力学方法，即Winfry[1]和Erdman等[2]提出的KED法(Kineto-ElastoDynamicsMethod)。该方法粗略地将结构动力学和多刚体动力学结合起来，虽然对于轻质高速柔性体（结构）的动力学并不适用但是对于低速运动的柔性体（结构）动力学行为的研究有着启蒙作用。洪嘉振课题组[3]从连续介质力学理论角度出发，以达到对计及弹性变形对刚体运动的影响的研究，并在柔性梁的径向型变量中掺加了由轴向型变量引起的耦合形变量，从而导出了柔性梁的刚-柔耦合动力学方程，即一次近似耦合模型(FOAC)。陈思佳等[4]在FOAC模型的基础上提出了适用性更广的高次刚柔耦合动力学模型，该模型能够更加精确的求解旋转梁的动力学响应，特别是在处理大变形问题上更具优势，因其保留了FOAC模型中省略的二阶耦合变形项的高阶量。距今为止，将高次刚柔耦合动力学模型加之推广至旋转智能梁的工作极为罕见。因此，本课题将以此模型为突破口，进行相应的动力学与控制问题的研究。论文网

2压电材料及其应用

压电材料是一种特殊的晶体材料，当其受到压力作用时会在两侧间产生电压，反之若在两端施加电压会产生相应的力，此为所谓的压电效应。最典型、也最常用的压电晶体非压电石英晶体莫属，居里兄弟(J．Curie和P．Curie)就于1880年在研究石英晶体的热电现象和晶体对称性时发现了压电效应[5],并在压电材料的该特性下实现了机械振动和交流电的互相转换。利用压电材料的机电耦合性可以将其用作传感器和作动器，例如地震传感器、压力测量仪等常见的传感器元件。

微位移驱动器件是由压电材料制成的制动器，并具有高精度、高灵敏度、快速响应、驱动力大、消耗功率低等优势，因此在精密机械中获得了较为广泛应用。如今，压电作动器进入一个新的研究阶段，有另一种包括微定位、超声马达和振动控制机构三种类型[6]的产品被研发出来。在一些网站[7-9]上可以查到比较详细的各种压电陶瓷材料的性能参数、压电产品信息和压电器件研究通报。

3压电结构的振动主动控制

通过压电材料进行结构的振动主动控制现已被提为工程上的热点研究项目。由于压电材料的机电耦合性能即可实现机械振动和交流电的互相转换的特点，其在柔性结构、机械臂的振动控制中有着广泛的应用前景[10]。Bailey等[11]运用分布压电高分子材料研究了一悬臂梁的主动振动控制。Baz等采用单个压电作动元件，先后提出修正的独立模态控制法[12]和模态正位反馈策略[13]对柔性结构的振动进行了控制研究。Choi等[14~18]针对做大范围旋转运动的柔性操作臂进行了大量压电智能振动控制方面的研究，他们设计的常幅值控制器在柔性梁共振与非共振转速下均可达到通过施加控制电压来实现控制振动的效果。Song等[19]基于一阶剪切变形理论，采用比例速度反馈来控制压电力矩，对附加压电作动器的带预扭角的旋转薄壁梁进行了本征振动控制的研究。Sun等[20]根据柔性模态振型函数对作动器进行了最优配置，并将压电作动器用于单臂机械臂的振动控制，Thakkar等[21]研究了带压电陶瓷驱动器的旋转梁的动力学响应。Dong等[22]研究了含压电材料的智能结构，并对其进行了闭环有限元建模。Huang等[23]根据一次近似耦合建模理论，提出了中心刚体-柔性智能梁-集中质量系统的非线性动力学模型，并用滑模变结构控制(SMC)方法，控制研究了系统的振动。黎亮等[24]将有压电材料、功能梯度材料(FGM)和主动约束层阻尼(ACLD)等复合智能梁板结构做大范围运动进行建模并分析研究了该模型动力学问题。