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文檔簡介
1、末端執(zhí)行器作為機(jī)器人與外界環(huán)境互相作用的最后執(zhí)行部件一直受到研究人員的關(guān)注。除了傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以外,氣動人工肌肉PMA作為一種新型的驅(qū)動器,以其結(jié)構(gòu)簡單、功率/重量比大等優(yōu)點(diǎn)得到眾多學(xué)者的關(guān)注,相繼研制出氣動肌肉關(guān)節(jié)、仿人手臂等。但是PMA還需要其他輔助機(jī)構(gòu)才能構(gòu)成關(guān)節(jié)和手臂,使用中增加了體積、重量,也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制帶來不便。本課題組研究的新型氣動柔性驅(qū)動器FPA,既是驅(qū)動器也是執(zhí)行器,可以直接構(gòu)成各種關(guān)節(jié)。本文在以往研究的
2、基礎(chǔ)上,進(jìn)一步深入研究了FPA及各種關(guān)節(jié)的特性,研制了氣動柔性三指手爪、提出了氣動柔性多指靈巧手的設(shè)計(jì)思路,為FPA及柔性關(guān)節(jié)的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文首先對氣動柔性驅(qū)動器FPA的靜態(tài)模型和基本特性進(jìn)行了深入的研究。分析了FPA平均半徑和橡膠管壁厚的變化情況及其對FPA特性的影響,根據(jù)建立的靜態(tài)模型,分析了FPA的恒輸出力特性、恒壓特性和恒長特性,并且分析了FPA在外力作用下的壓桿穩(wěn)定性問題;基于氣動系統(tǒng)動力學(xué)建立FPA充放氣
3、過程的動態(tài)模型,并分析了各種參數(shù)對動態(tài)過程的影響;對FPA的模型和基本特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 在氣動柔性驅(qū)動器FPA的橡膠管壁內(nèi)嵌入約束鋼絲,得到氣動柔性彎曲關(guān)節(jié),該關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的彎曲運(yùn)動。重點(diǎn)分析建立彎曲關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型,靜態(tài)模型是基于對彎曲關(guān)節(jié)端截面的力平衡和力矩平衡分析得到,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;分析了關(guān)節(jié)壁厚、長度、半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對彎曲角度的影響;彎曲關(guān)節(jié)的動態(tài)模型與FPA類似,其動態(tài)模型仿真結(jié)果表明動態(tài)過程的時(shí)間相對很短
4、,可以忽略不計(jì)。 氣動柔性扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是FPA的另一個(gè)應(yīng)用,扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由兩個(gè)弧形的FPA構(gòu)成,可以在平面內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在彎曲關(guān)節(jié)模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,建立扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型,并分析了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的影響;建立了扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動力學(xué)方程,仿真實(shí)驗(yàn)表明FPA的充放氣過程與關(guān)節(jié)的動力學(xué)過程相比時(shí)間極短,在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制過程中可以忽略不計(jì);分析討論橡膠管壁厚、平均半徑、初始角度、氣體節(jié)流口面積、轉(zhuǎn)動慣量、粘性阻尼系數(shù)等因素對扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
5、動態(tài)特性的影響;對扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了開環(huán)和PID控制實(shí)驗(yàn)研究。 在以上研究的基礎(chǔ)上,研制了氣動柔性三指手爪,該手爪以氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)作為爪指,以扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成腕部,可以實(shí)現(xiàn)抓握和轉(zhuǎn)腕動作。分析建立了三指手爪的數(shù)學(xué)模型和爪指指端的運(yùn)動學(xué)方程,分析了手爪的抓持模式,建立抓取簡單形狀目標(biāo)時(shí)的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在氣動柔性彎曲關(guān)節(jié)和氣動柔性球關(guān)節(jié)研究的基礎(chǔ)上,提出了五自由度手指的設(shè)計(jì),由一個(gè)球關(guān)節(jié)和兩個(gè)彎曲關(guān)節(jié)串聯(lián)得到一個(gè)五
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