本论文在高次刚柔耦合理论基础上,对柔性杆柔性铰机器人含摩擦碰撞全局动力学的建模与算法问题进行了研究。柔性机械臂的含摩擦碰撞问题是最具挑战性的问题之一,广泛存在于各个工程领域中,例如:机械臂、大型雷达天线、太阳能电池板、运输车辆、制造设备,以及仿生肌肉骨骼系统等等。尽管已经取得了一系列重大进展,但由于该问题涉及到耦合变形的高度非线性、高瞬态的接触变边界非光滑性、粘滞与滑移的物理非光滑性、以及数值求解等问题,实现复杂多体系统的大规模计算机模拟仿真仍然是时下一个非常复杂的任务,因此对柔性机械臂的含摩擦碰撞动力学问题的建模与分析研究在理论发展和工程应用上的具有重要的价值和意义。本文的研究内容以及成果主要有:建立了含有多杆和多铰的机械臂的高次刚柔耦合动力学模型。系统由n个柔性杆和n个柔性铰链接构成。采用4×4齐次变换矩阵描述系统的运动。柔性铰简化为含质量效应的线弹性扭转弹簧。柔性杆的变形考虑横向、纵向、扭转、以及横向变形引起的纵向缩短,即高阶几何非线性耦合项。采用递归策略得到可适用于计算机编程和实时仿真的高次刚柔耦合动力学方程。编写了通用的C++多体动力学软件。通过仿真算例,研究了刚柔耦合模型与传统零次耦合动力学模型各自的适用范围,对系统在重力场中、微重力场中的大范围运动与变形进行了仿真分析,对铰的柔性效应和刚度进行了分析研究。采用连续接触力法处理多体系统含摩擦碰撞问题。引入数学规划中熵正则化方法的思想,分别建立法向碰撞和切向摩擦的光滑化修正模型以及接触/分离、粘滞/滑移切换准则,将多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题光滑化处理。引入碰撞力势能的概念,运用拉格朗日方程程式化地得到碰撞产生的广义力,从而得到系统碰撞阶段的动力学方程。编写了相应的C++碰撞多体系统动力学计算模块。通过刚/柔复合摆经典算例以及Canadarm2简化模型算例的数值仿真,研究了柔/刚性铰、零次/高次刚柔耦合模型、不同接触模型、摩擦系数、指数系数等对系统响应的影响,比较了三种摩擦模型的区别。将多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题光滑化处理,缩短了已有非光滑力学理论与工程实际应用之间的距离,提高了大型复杂柔性多体系统全局动力学的计算效率。采用附加约束法处理多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题。基于变拓扑系统的物理思路,根据不同的系统状态,将全局动力学方程分为分离、碰撞初始、粘滞接触、滑移接触等几个阶段描述。采用冲量/动量法求解碰撞初始的速度不协调问题。根据粘滞/滑动接触条件构造附加约束法动力学方程,并给出接触/分离、粘滞/滑移切换准则,通过Baumgarte约束稳定化方法保证约束方程不违约。通过数值仿真准确揭示了碰撞点的粘滞、正向微小滑动、逆向微小滑动以及它们之间的切换等多样性的接触现象。采用互补算法处理柔性多体系统含摩擦多点碰撞问题。引入关联矩阵和四个接触点集来描述多点碰撞对的接触/分离、粘滞/滑移状态。全局动力学方程分为分离、碰撞初始、粘滞碰撞、滑动碰撞四个状态。碰撞初始速度跳跃条件采用冲量/动量法实现运动的协调。在连续接触状态中,根据粘滞/滑动、正/逆向滑动等状态构造接触约束,采用互补条件统一描述动力接触条件,得到简洁、准确且易于编程实现的碰撞动力学求解方程。通过对柔性机械臂与两障碍物含摩擦碰撞的数值仿真,研究了碰撞点位置的切换、碰撞点的粘滞/滑动、粘滞/正向微小滑动、粘滞/逆向微小滑动等接触多样性。