基于并联平台驱动的连续体机器人设计分析与实验研究

发布时间：2020-05-25 06:32

【摘要】：本文以面向非结构化环境下作业任务需求的绳驱动连续体机器人为研究对象,围绕“多绳牵引,并联驱动”的设计理念系统开展了连续体机器人构型设计与优选、运动学分析、静力学分析、模拟仿真、控制系统设计、样机搭建及实验研究等方面的研究工作。首先,提出基于并联平台驱动的多绳牵引方式,采用驱动绳索分体布置的布线方式,按照工况和任务需求进行导线管的布置,实现连续体机械臂的远程控制。分析综合出2种构型展开性能分析与优选。求解两种机械臂构型的运动方程和工作空间,分析两种机械臂构型在4种状态下的受力状况,借助ANSYS Workbench软件进行仿真分析。综合对比分析两种机械臂构型,选用镍钛合金丝构型作为连续体机器人执行端机械臂展开进一步分析与研究。其次,求解分析连续体机械臂驱动绳长变化范围,利用MATLAB软件绘制出绳索的绳长变化图,求解3-RPS并联平台的位姿变换矩阵和运动反解方程,推导出并联平台结构的静力平衡方程,得到并联平台分支驱动力与承受的外力之间的关系。选取单节连续体机械臂弯曲30°的状态,展开并联平台的分支驱动力求解,并基于ADAMS软件进行了仿真与验证。再次,明晰绳驱动机器人的整体控制策略,进行控制系统的设计与搭建,构建基于MATLAB软件Simulink模块的并联平台控制模型,确定控制系统相关零部件的选型,实现控制系统线路的合理布局,形成“上位机数据处理+下位机电机驱动”的控制体系,完成控制系统的设计与搭建。进行零部件选型分析和整体系统搭建,完成了绳驱动连续体机器人样机的制备。最后,开展了绳驱动连续体机器人实验研究,对比分析3绳驱动与多绳驱动的抗变形能力,研究单节机械臂的姿态与绳长变化的关系以及并联平台姿态与驱动器位移的关系,分析连续体机器人理论姿态变化与实际姿态变化的差异,验证了连续体机器人运动理论与控制系统的合理性与正确性。
【图文】：

图 1-1 喷涂柔性机器人 图 1-2 主动式内窥镜mmega 等人设计制作了 KSI 触手型机械手[21]，如图 1-3 所示，该机械手机以及绳索进行驱动，可以实现各个方向的弯曲运动，能够按照任务。Nakamura 等人设计制作了一种主动式腹腔镜手术钳[22]，如图 1-4 所采用形状记忆合金（SMA）制成，能够在产生变形的同时兼具一定的 21 世纪以来，连续体机器人的研究进入了一个蓬勃发展的阶段，在构型模及工程应用等方面均取得了较好的进步。国 Clemson 大学的 Walker 团队设计出一种具有冗余连续特性的仿生象3-26]，如图 1-5 所示。该仿生象鼻型机器人采用绳索驱动，主要由 16 个，每个关节选用弹簧增加刚度和辅助驱动，，通过绳索进行驱动控制，内的多自由度运动与物品的抓持。

图 1-1 喷涂柔性机器人 图 1-2 主动式内窥镜mmega 等人设计制作了 KSI 触手型机械手[21]，如图 1-3 所示，该机械手机以及绳索进行驱动，可以实现各个方向的弯曲运动，能够按照任务。Nakamura 等人设计制作了一种主动式腹腔镜手术钳[22]，如图 1-4 所采用形状记忆合金（SMA）制成，能够在产生变形的同时兼具一定的 21 世纪以来，连续体机器人的研究进入了一个蓬勃发展的阶段，在构型模及工程应用等方面均取得了较好的进步。国 Clemson 大学的 Walker 团队设计出一种具有冗余连续特性的仿生象3-26]，如图 1-5 所示。该仿生象鼻型机器人采用绳索驱动，主要由 16 个，每个关节选用弹簧增加刚度和辅助驱动，通过绳索进行驱动控制，内的多自由度运动与物品的抓持。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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1 王晓华;景军锋;张蕾;李s

本文编号：2679723