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张拉整体机械臂的构型研究

孟富强  
【摘要】:人们一直利用新型材料和新型结构设计适用于连续型机器人的结构,在普通结构中刚度和柔性是一对矛盾,而张拉整体作为一种新型结构,具备质量轻、刚度可调以及可变形的特点。本文对张拉整体机械臂中基本单元的变形过程、基本单元间的拼接以及整体结构的运动学进行了分析与研究,并结合原理样机试验进行理论验证。以规则的3杆张拉整体结构为基础,构建结构的节点矩阵、连接矩阵、构件矢量矩阵、构件力密度矩阵以及节点平衡矩阵。改变节点中的相应坐标获得变形的张拉整体基本单元,使用力密度法获得张拉整体基本单元变形过程中的稳定性条件和不同变形状态下张拉整体基本单元中各个构件的力密度关系。丰富张拉整体单元的构型,为构建多层张拉整体弯曲结构提供基础。为获得更加丰富的多层张拉整体结构,本文使用节点-节点的拼接方式和节点-鞍索的拼接方式构建多层张拉整体结构。在拼接过程中不仅讨论两种拼接方法的区别与联系,而且再次使用力密度法推导多层单元间旋转角与重叠率之间的映射关系,以保证多层张拉整体的稳定性。依据圆柱体包络法和圆弧曲线法两种弯曲状况评价方法,从多种构型方案中选取适合于张拉整体机械臂的结构,并为结构设计驱动方案。分析张拉整体机械臂的运动学时,先根据基本单元的变形过程和拼接方法,定义基本单元的驱动绳索变化量、关节单元形变参数、末端姿态等参数,再根据结构几何关系获得这些参数两两之间的映射关系。根据映射关系推导末端运动轨迹,从而使张拉整体机械臂完成期望的弯曲动作。依据张拉整体机械臂的构型搭建试验样机,发现不同的构件对样机轴向和径向刚度的影响不同以及基本单元连接处的变形对样机整体弯曲的影响,确定强化基本单元间连接处刚度的方案。根据样机的弯曲试验选定驱动方案,采集样机端点的空间坐标,分析样机的弯曲状况。


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