传统的刚性机械臂,体积庞大,材料浪费严重,因此柔性机械臂的研究已经变成国内外研究的一个重要课题。目前,国内外在柔性臂理论建模的动边界条件及变形理论方面均取得了一定的研究成果。但是对于柔性机械臂理论建模的精确性方面缺乏探讨。为此本文的精确建模相对于传统建模而言,其精确性主要表现在三个方面:第一,在理论建模时,传统建模一般选择1阶线性简化模型,而本文选择2阶非线性复杂模型;第二,充分考虑到各种动边界条件,传统建模认为实验的动边界条件就是悬臂边界,因此选择悬臂梁边界来进行理论建模,而本文认为实验的动边界条件不仅仅是悬臂边界,而是四种边界条件的耦合,因而选择4种动边界条件分别来进行理论建模,从而找到一种能准确描述实验条件下柔性臂的的真实动力学模型;第三,充分考虑各种变形理论,传统建模一般选用经典变形来进行动力学方程的推导,而本文采用三种变形理论(经典变形、二次变形、综合变形)来进行探讨。正是基于以上三个方面的思考,这篇论文从理论和实验两个方面就柔性机械臂理论建模的精确性方面进行了探讨。首先,在理论建模方面,简要介绍了柔性机械系统的动力学基础,包括介绍柔性机械系统的空间坐标描述、柔性机械臂的拉格朗日动力学方程的推导、型函数的理论推导以及各种动边界条件的主振型函数和模态频率等。选取Euler-Bernoulli梁模型进行建模,利用Hamilton原理和Lagrange动力学方程对单关节柔性机械臂、双关节柔性机械臂的刚柔耦合系统进行动力学方程的理论推导,同时考虑弹性变形和动边界条件两个主要影响因素来建立柔性机械臂的数学模型。并且通过理论数值求解的方法求出每一种模型条件下柔性臂自由端的振动位移。其次,在实验方面,设计了柔性臂实验平台的机械系统、控制系统、驱动系统以及监测系统,并搭建了基于运动控制卡的柔性机械臂实验平台。进行了实验平台伺服电机输入轨迹的逆动力学规划,通过采用PID控制使电机的实际输入轨迹和理论逆动力学规划输入轨迹保持一致,这样当电机带动柔性臂转动时就可以通过实验监测系统采集出柔性臂自由端的振动位移数据,并对其进行数字滤波,随后对采集的数字信号进行处理。最后,通过理论建模对柔性机械臂的动力学方程(综合考虑动边界条件和三种变形理论)进行了比较分析,分析结果表明:横向看在动边界条件一定的情况下,三种变形理论对于柔性臂自由端的振动位移影响很小。纵向看动边界条件对于柔性臂自由端的振动幅值有很大的影响,并且不同动边界条件对于理论推导的动力学方程的模态频率有很大的影响。正是基于以上理论建模的分析同时考虑到现有的实验条件,论文把侧重点放在动边界的模态频率上,并以此为研究对象来验证实验模型。随后将基于精确建模理论模型计算的柔性臂自由端的振动位移和实验测量的柔性臂自由端振动位移数值进行比较分析。分析结果显示:对于单关节柔性机械臂模型,一端固定-一端自由的悬臂边界和实验情形比较吻合;而对于双关节刚柔耦合的柔性机械臂模型,一端转动-一端自由的转动边界和实验情形比较吻合。这些结论进一步明确了进行理论建模时应该优先选择的动边界条件,为柔性臂的精确定位和实际应用提供理论依据。