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双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用

耿德旭  
【摘要】:各类主动关节是仿生机器人及运动机械的关键部件,其结构特征、运动特点、力学特性、驱动能力和控制方法,将决定整机产品的功能和应用水平。随着科技的发展,机器人技术的应用正以前所未有的速度向工业装配、物流、服务和军事领域扩展,对其整体性能提出了更高的要求。尤其是对关节的结构柔性、运动柔性、驱动柔性和柔性控制提出了挑战,迫切需要研发具有综合柔性功能的仿生关节,对环境和操作对象的变化具有适应性。 近几十年来,国内外学者对关节柔性问题的研究取得了丰富成果。已开发具有部分柔性功能的关节,主要有伺服电机、液压缸和气缸驱动方式,且被广泛应用于各种机械和机器人中。但其体积较大关节偏“硬”,能实现的柔性功能程度有限。气动人工肌肉驱动因具有高度柔顺性,受到极大关注并已陆续研发出五种形式的人工肌肉。其中仅有McKibben型肌肉较为成功,在柔性机器人关节的驱动上已初步得到应用,但关节本体仍为刚性,具有综合柔性的关节尚待研究。在理论上,其大变形气动弹性体的力学特性还需要进一步深入探讨。 本文从自主研制的气动人工肌肉着手,突破了传统主动关节的结构模式,提出了一种并联四肌肉组成的双向主动弯曲气动柔性关节。将关节本体需要的刚度分化到肌肉约束弹簧中,使驱动装置与关节本体复合为一体,具有本体柔性、运动柔性和驱动柔性。该关节能实现正屈、反伸、内收、外展和轴向移动,两个正交主方向弯曲能力强,具有较好的形状变化适应性。 根据新型关节的特殊要求,创造性地提出了一种伸长型气动人工肌肉。采用约束弹簧和橡胶管组合的结构形式,使弹簧可根据关节的刚度要求调整参数,达到关节刚柔相宜的统一。在研究肌肉轴向膨胀的极限工作压力和约束稳定性基础上,建立了一种判断人工肌肉径向约束失稳的实验方法。发现了人工肌肉主动扭转变形规律,提出了一种SS型圆柱螺旋弹簧和双体人工肌肉的限扭转方案,经有限元分析表明SS型圆柱螺旋弹簧轴向变形和弯曲变形均属于线弹性。 通过对人工肌肉力学性能的理论和实验研究,揭示了其相当于变参数柔性气缸的工作原理。针对人工肌肉大变形和非线性等问题,利用超弹性体变形能函数和经典弹性变形两种理论,研究了人工肌肉的静力学特性,给出了相应的数学公式。利用平动质量动能等效方法,建立了肌肉轴向变参数动力学模型,分析了其固有频率变化区间。为建立肌肉抗弯刚度的理论模型,对人工肌肉受载弯曲变形进行了分析,获得了理论计算公式。搭建了实验系统,采取光学投影等非接触式测量手段进行了肌肉的力学特性实验。 在深入探索复合弹性体大变形特征的基础上,创建了新型柔性关节变参数静力学和动力学模型。利用组合弹性体变形叠加原理,建立了关节力学性能与人工肌肉特性的关系,关节的弯曲变形与气压的关系,得到了相应的数学公式,进行了实验验证。针对关节弯曲存在变形耦合、非线性和变参数等问题,通过轴向和弯曲质量动能等效方法,建立了关节变参数动力学模型,分析了关节主要固有频率变化规律。研究了柔性关节的驱动功能,关节接触点位置、气压、关节尺寸等参数对弯曲夹持力的影响,确定了关节五种主要变形状态的控制方法。 基于双向弯曲柔性关节研发了一种具有全新结构和功能的五指柔性机械手。采取中指居中、四指相对布局,形成了以双拇指为主的抓取模式,保证了抓取的稳定性。采用了楔形盘为关节连接部件,结合独特的反伸功能,解决了机械手的灵活性和抓取物体范围的矛盾。为研究机械手位姿数学模型,将关节的非线性变形关系,以参数形式组合到齐次变换矩阵中,有效解决了弹性大变形非线性关节的坐标变换和位姿计算问题。具体推导了手指特征点在手掌坐标系中的位置,给出了手指四种模式位姿计算公式。利用Matlab软件,对手指的正屈、反伸、外展和内收功能进行了抓取仿真,得到了相应的轨迹和机械手抓取位姿图,并通过机械手抓取动作实验加以验证。 本文对不同类型的手指夹持位置、气压和夹持力的关系进行了实验研究,并探讨了关节运动柔性和控制方式对夹持力的动态影响。通过对机械手抓取实物的实验分析,验证了其操作功能的实现效果。在深入分析机械手控制功能要求和特点的基础上,建立了由计算机、控制器和气压控制三部分组成的控制系统方案。针对柔性机械手四类12种抓取模式,研究了控制方法和气压控制系统结构,搭建了气动实验台。结合控制要求形成了电气控制系统结构方案,确定了机械手的具体控制方法和控制策略,给出了主要控制软件程序流程图。 论文的研究工作为解决当前存在的关节柔性不足等问题,提供了一种新的解决方案。研究结果表明,所开发的主动弯曲关节,具有良好的综合柔性;利用该关节组合的柔性机械手,可完成人手的多数动作和功能。该关节可用于各类相关机械和机器人中,具有较高的研究价值和十分广阔的应用前景。


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