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基于散粒体阻塞理论的柔性机械臂机构研究

石晓磊  
【摘要】:机器人的发展趋于高速、高精度、质量轻、安全性高、柔性化和优良的环境共融性等方向。传统机器人为刚性结构很难实现轻量化和柔性化。柔性机器人具有质量轻、驱动简单、安全性高、结构可变等优点已成为机器人技术发展的热点之一。但柔性机器人存在刚度较低、运动学模型不精准、运动控制复杂等缺点。散粒体阻塞理论的研究在近年来发展迅速,通过改变散粒体阻塞条件可实现变刚度调节。散粒体阻塞机制能够产生较大刚度,且阻塞过程中体积变化不明显,因此适合用于柔性机器人的变刚度调节。本文针对柔性机构刚度较低的问题,综合气动人工肌肉结构特性和散粒体阻塞理论,设计了基于散粒体阻塞理论的柔性机械臂,通过理论分析和实验研究对柔性机械臂的变刚度特性进行了研究,主要研究内容包括:基于散粒体阻塞理论的变刚度杆的静力学特性理论分析和实验研究;柔性关节机构建模及实验研究;柔性关节刚度增强情况研究;柔性机械臂机构建模和运动学分析。首先,在了解柔性机器人的发展现状情况下,介绍散粒体阻塞理论及其在柔性机器人中的应用,并对散粒体阻塞过程进行分析。其次,利用大豆和硅胶制作变刚度杆,对散粒体阻塞机制进行研究。通过对真空度、颗粒体类型和外膜3类因素的综合实验分析,揭示基于散粒体阻塞的变刚度杆的静力学性能;建立真空度条件下变刚度杆的剪切刚度模型和压缩刚度模型,并由实验数据验证模型的真确性;通过不同颗粒体类型实验和乳胶外膜对比实验得到变刚度杆的最优材料搭配模式,并为散粒体阻塞机制的基础理论提供实验数据。然后,综合散粒体阻塞理论和气动人工肌肉特性设计了新型柔性变刚度杆,并建立杆件模型;根据新型变刚度杆对柔性关节进行机构设计;通过对柔性关节进行运动学分析并建立运动学正、逆解理论模型;采用POM塑料颗粒和Festo气动肌腱制作柔性关节。通过实验分析柔性关节的运动性能和散粒体阻塞对柔性关节刚度的强化作用。最后,对柔性机械臂实现性能分析,利用SolidWorks三维软件对柔性机械臂综合设计,建立串-并混联机构3D模型。结合等圆弧假设和D-H法建立柔性关节的运动学方程,并验证其正确性。依据等分圆弧假设得到柔性机械臂的运动学方程。


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