液压驱动连续型机械臂原理与设计
发布时间：2021-11-17 01:06
连续型机械臂具有运动灵活、可适应多障碍环境、柔性关节等特点,能在有限、狭小、危险空间内作业,在复杂设备维护方面将会有极大的应用价值。当前连续性机械臂主要采用电机驱动,其末端承载能力有限,一般小于5 kg。设计一种采用液压驱动的连续型机械臂,关节间采用金属材料,并使用万向节连接。分析了其运动学模型,并搭建了实验系统验证模型正确性。
【文章来源】：液压与气动. 2017,(09)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
机械臂工作原理
液压与气动2017年第9期少需要3根驱动绳才能驱动机械臂向任意方向弯曲。通过对机械臂的运动学建模，只要找出不同姿态下钢丝绳位移的对应关系，即可通过拉伸钢丝绳驱动整节机械臂。图1机械臂工作原理图2机械臂结构设计2运动学模型连续型机械臂由于其结构的特殊性，传统的D-H法已不再适用。JONES等［7］利用修正的D-H方法实现对连续型机器人的运动学建模和分析。通过分析连续曲线的几何特征来进行建模。连续曲线是连续型机械臂运动学建模的常用方法，可将多段机械臂看成是一光滑圆弧，机械臂在以任意角度弯曲时，圆弧长度不变，仅曲率发生变化，由此可计算出关节弯角与驱动绳长之间的关系。进行分析时需要进行如下假设:①假设机械臂关节在弯曲时曲率处处相等;②假设在运动过程忽略重力对机械臂的影响;③脊椎结构的小关节相对于中心支撑物是固定的，在弯曲时仅发生横截面方向的弯曲，不发生扭转。如图3所示，在初始关节和末端关节原盘处分别建立坐标系O1、O2，z轴均垂直于圆盘，在机械臂弯曲时，将多段关节组成的中轴线看成一光滑曲线，在往任意方向弯曲时，曲线始终保持在一个平面O1、O0、O内，此时两坐标系所成角度θ为弯曲角，弯曲平面O1、O0、O与z1所成的夹角。连续曲线的长度为s，关节盘上驱动绳到中心的距离为d，根据几何关系可计算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分别为3根驱动线的位移;θ为弯曲角;φ为方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s为连续曲线长度;d驱动线所在圆的直径。图3机械臂运动学模型由以上关系可以看出，3根去驱动线的位移?
?谕?我夥较蛲?曲时，曲线始终保持在一个平面O1、O0、O内，此时两坐标系所成角度θ为弯曲角，弯曲平面O1、O0、O与z1所成的夹角。连续曲线的长度为s，关节盘上驱动绳到中心的距离为d，根据几何关系可计算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分别为3根驱动线的位移;θ为弯曲角;φ为方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s为连续曲线长度;d驱动线所在圆的直径。图3机械臂运动学模型由以上关系可以看出，3根去驱动线的位移均与弯曲角和方向角相关，即驱动线位移存在运动耦合，在运动时驱动绳需满足以上关系才能保持姿态。从式(4)中可看出，3根绳的位移之和始终保持不变，也就是3根驱动绳位移变化量之和始终为0。机械臂的执行器安装在末端，通过机械臂的弯曲使得末端到达指定位置，其末端能到达的所有位置的集合也就是机械臂的运动空间。假设单节机械臂的长度为600mm，弯角和转动角范围是(0，180°］，［0，360°)，通过计算转角和空间坐标的关系，可以得到式(5)～式(7)，即不同转角下机械臂末端对应的所有空间点的坐标，将末端能达到的店绘出即可得到单机械臂的运动空间，在MATLAB中编程绘制出机械臂的运动空间如图4所示［8］，可见机械臂运动空间为一近似球面，在增加多节机械臂后，运动空间则会近似球面变为空间，实用性会得到增强。x=sθ·cosφ·(1－cosθ)(5)y=sθ·sinφ·(1－cosθ)(6)z=sθ·sinθ(7)14?????????????????????????????????????????????????
【参考文献】：
硕士论文
[1]连续型腹腔内窥镜机器人的运动仿真与优化研究[D]. 刘阳辉.广东工业大学 2013
本文编号：3499923
【文章来源】：液压与气动. 2017,(09)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
机械臂工作原理
液压与气动2017年第9期少需要3根驱动绳才能驱动机械臂向任意方向弯曲。通过对机械臂的运动学建模，只要找出不同姿态下钢丝绳位移的对应关系，即可通过拉伸钢丝绳驱动整节机械臂。图1机械臂工作原理图2机械臂结构设计2运动学模型连续型机械臂由于其结构的特殊性，传统的D-H法已不再适用。JONES等［7］利用修正的D-H方法实现对连续型机器人的运动学建模和分析。通过分析连续曲线的几何特征来进行建模。连续曲线是连续型机械臂运动学建模的常用方法，可将多段机械臂看成是一光滑圆弧，机械臂在以任意角度弯曲时，圆弧长度不变，仅曲率发生变化，由此可计算出关节弯角与驱动绳长之间的关系。进行分析时需要进行如下假设:①假设机械臂关节在弯曲时曲率处处相等;②假设在运动过程忽略重力对机械臂的影响;③脊椎结构的小关节相对于中心支撑物是固定的，在弯曲时仅发生横截面方向的弯曲，不发生扭转。如图3所示，在初始关节和末端关节原盘处分别建立坐标系O1、O2，z轴均垂直于圆盘，在机械臂弯曲时，将多段关节组成的中轴线看成一光滑曲线，在往任意方向弯曲时，曲线始终保持在一个平面O1、O0、O内，此时两坐标系所成角度θ为弯曲角，弯曲平面O1、O0、O与z1所成的夹角。连续曲线的长度为s，关节盘上驱动绳到中心的距离为d，根据几何关系可计算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分别为3根驱动线的位移;θ为弯曲角;φ为方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s为连续曲线长度;d驱动线所在圆的直径。图3机械臂运动学模型由以上关系可以看出，3根去驱动线的位移?
?谕?我夥较蛲?曲时，曲线始终保持在一个平面O1、O0、O内，此时两坐标系所成角度θ为弯曲角，弯曲平面O1、O0、O与z1所成的夹角。连续曲线的长度为s，关节盘上驱动绳到中心的距离为d，根据几何关系可计算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分别为3根驱动线的位移;θ为弯曲角;φ为方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s为连续曲线长度;d驱动线所在圆的直径。图3机械臂运动学模型由以上关系可以看出，3根去驱动线的位移均与弯曲角和方向角相关，即驱动线位移存在运动耦合，在运动时驱动绳需满足以上关系才能保持姿态。从式(4)中可看出，3根绳的位移之和始终保持不变，也就是3根驱动绳位移变化量之和始终为0。机械臂的执行器安装在末端，通过机械臂的弯曲使得末端到达指定位置，其末端能到达的所有位置的集合也就是机械臂的运动空间。假设单节机械臂的长度为600mm，弯角和转动角范围是(0，180°］，［0，360°)，通过计算转角和空间坐标的关系，可以得到式(5)～式(7)，即不同转角下机械臂末端对应的所有空间点的坐标，将末端能达到的店绘出即可得到单机械臂的运动空间，在MATLAB中编程绘制出机械臂的运动空间如图4所示［8］，可见机械臂运动空间为一近似球面，在增加多节机械臂后，运动空间则会近似球面变为空间，实用性会得到增强。x=sθ·cosφ·(1－cosθ)(5)y=sθ·sinφ·(1－cosθ)(6)z=sθ·sinθ(7)14?????????????????????????????????????????????????
【参考文献】：
硕士论文
[1]连续型腹腔内窥镜机器人的运动仿真与优化研究[D]. 刘阳辉.广东工业大学 2013
本文编号：3499923
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