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气动柔性驱动器FPA的特性及其在多指灵巧手设计中的应用研究

鲍官军  
【摘要】:末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。除了传统的刚性驱动和执行机构以外,气动人工肌肉PMA作为一种新型的驱动器,以其结构简单、功率/重量比大等优点得到众多学者的关注,相继研制出气动肌肉关节、仿人手臂等。但是PMA还需要其他辅助机构才能构成关节和手臂,使用中增加了体积、重量,也给结构设计和控制带来不便。本课题组研究的新型气动柔性驱动器FPA,既是驱动器也是执行器,可以直接构成各种关节。本文在以往研究的基础上,进一步深入研究了FPA及各种关节的特性,研制了气动柔性三指手爪、提出了气动柔性多指灵巧手的设计思路,为FPA及柔性关节的研究和应用奠定基础。 本文首先对气动柔性驱动器FPA的静态模型和基本特性进行了深入的研究。分析了FPA平均半径和橡胶管壁厚的变化情况及其对FPA特性的影响,根据建立的静态模型,分析了FPA的恒输出力特性、恒压特性和恒长特性,并且分析了FPA在外力作用下的压杆稳定性问题;基于气动系统动力学建立FPA充放气过程的动态模型,并分析了各种参数对动态过程的影响;对FPA的模型和基本特性进行了实验研究。 在气动柔性驱动器FPA的橡胶管壁内嵌入约束钢丝,得到气动柔性弯曲关节,该关节可以实现平面内的弯曲运动。重点分析建立弯曲关节的数学模型,静态模型是基于对弯曲关节端截面的力平衡和力矩平衡分析得到,并进行了实验验证;分析了关节壁厚、长度、半径等结构参数对弯曲角度的影响;弯曲关节的动态模型与FPA类似,其动态模型仿真结果表明动态过程的时间相对很短,可以忽略不计。 气动柔性扭转关节是FPA的另一个应用,扭转关节主要由两个弧


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