长臂式仿生软体机器人及其运动学研究

发布时间：2017-05-15 19:03

  本文关键词：长臂式仿生软体机器人及其运动学研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着机器人产业的不断扩大,机器人应用的领域越来越多,传统的机器人由于其拥有的很大的刚性,局限了其与环境相互作用的能力,然而软体机器人具有充分的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度,甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标,能够完成许多传统机器人不能完成的任务,所以软体机器人是一个新兴且极具前景的研究方向。近年来,仿生软体机器人已经有了很大的发展,但是目前的仿生软体机器人只是解决了工作过程中柔软性的要求,而软体机器人在工作过程中自身的刚度要求没有得到很好的解决。本课题组研究的长臂式仿生软体机器人具有软体机器人的柔软性,并且其自身的刚度可以进行独立可变的控制,它的结构简单,控制方便,动作灵活,既是驱动器又是执行器。本文对长臂式仿生软体机器人的结构特性、静态特性、动态特性及其运动学模型进行了深入的研究,主要工作和成果如下:1、对长臂式仿生软体机器人结构特性和轴向伸长静态特性进行研究。通过研究章鱼腕足的运动特性设计了长臂式仿生软体机器人,对软体机器人的内外部结构进行分析;通过力平衡原理建立机器人轴向伸长的静态模型,分析了静态模型中各参数对软体机器人轴向伸长的影响。2、提出了长臂式仿生软体机器人主动弯曲理论。通过力矩平衡建立了长臂式仿生软体机器人主动弯曲理论的静态模型,分析模型中各个参数对机器人弯曲静态模型的影响;基于气动系统的动力学和热力学原理,建立长臂式仿生软体机器人充放气过程动态模型,并对动态模型进行仿真分析。3、提出了长臂式仿生软体机器人运动学模型。阐述软体机器人运动学分析的理论基础;对软体机器人平面运动学进行分析,定义出其位姿和位姿的微分变换;建立软体机器人单节和多节的正运动学模型和逆运动学模型,并对软体机器人空间运动学和运动位姿进行仿真分析。4、对长臂式仿生软体机器人的静力学和运动学实验进行研究。搭建了长臂式仿生软体机器人的硬件实验平台,构建了实验系统的控制软件;对长臂式仿生软体机器人的轴向伸长、弯曲和运动位姿进行实验测试,收集实验数据,对实验数据进行处理,绘制实验数据曲线并对照理论仿真曲线对机器人模型进行验证。
【关键词】：长臂式仿生软体机器人 静力学 弯曲理论 运动学
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题来源11
• 1.2 本课题研究的背景和意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-16
• 1.3.1 长臂式仿生软体机器人研究现状与分析12-15
• 1.3.2 机器人刚度控制研究现状与分析15-16
• 1.4 本论文主要工作16-19
• 第2章 长臂式仿生软体机器人的结构设计与特性分析19-35
• 2.1 引言19
• 2.2 章鱼腕足的结构、运动特性及刚度的分析19-20
• 2.2.1 章鱼腕足的结构和运动特性的分析19-20
• 2.2.2 章鱼腕的刚度特性20
• 2.3 长臂式仿生软体机器人的结构原理20-22
• 2.3.1 主动可变刚度长臂式仿生软体机器人的结构设计20-21
• 2.3.2 主动可变刚度长臂式仿生软体机器人的特点21-22
• 2.4 长臂式仿生软体机器人分离单腔轴向非线性变形的静力学模型22-28
• 2.4.1 基节分离单腔轴向非线性变形的静力学模型22-25
• 2.4.2 尾节分离单腔轴向非线性变形的静力学模型25-28
• 2.5 长臂式仿生软体机器人四腔驱动轴向非线性变形的静力学模型28-30
• 2.5.1 基节四腔驱动轴向非线性变形的静力学模型28-29
• 2.5.2 尾节四腔驱动轴向非线性变形的静力学模型29-30
• 2.6 软体机器人轴向伸长静态特性分析30-33
• 2.6.1 输出力恒定时特性分析30-32
• 2.6.2 内腔压力恒定时特性分析32
• 2.6.3 伸长量恒定时特性分析32-33
• 2.7 本章小结33-35
• 第3章 长臂式仿生软体机器人的主动弯曲理论的研究35-55
• 3.1 长臂式仿生软体机器人弯曲变形和刚度可调的工作原理35-36
• 3.2 长臂式仿生软体机器人弯曲力矩及角度的静态模型分析36-48
• 3.2.1 气压对中心线产生的驱动力力矩分析36-39
• 3.2.2 硅胶基体对中心线产生的负载力矩分析39-44
• 3.2.3 弹簧对中心线产生的弯曲力矩分析44-46
• 3.2.4 软体机器人弯曲角度静态模型46-48
• 3.3 长臂式仿生软体机器人弯曲角度静态模型的仿真分析48-50
• 3.3.1 内腔压力的影响48-49
• 3.3.2 软体机器人长度的影响49-50
• 3.4 长臂式仿生软体机器人弯曲角度分析弯曲角度动态模型50-53
• 3.4.1 软体机器人充气时动态方程50-51
• 3.4.2 软体机器人放气时动态方程51-52
• 3.4.3 软体机器人动态仿真分析52-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第4章 长臂式仿生软体机器人运动学模型的研究55-69
• 4.1 长臂式仿生软体机器人运动学分析理论基础55-56
• 4.1.1 空间曲线的曲率55
• 4.1.2 空间曲线的挠率55-56
• 4.1.3 空间曲线的Frenet-Serret公式56
• 4.2 长臂式仿生软体机器人平面曲线运动学分析56-59
• 4.2.1 长臂式仿生软体机器人位姿的分析57
• 4.2.2 长臂式仿生软体机器人运动位姿的微分变换57-59
• 4.3 长臂式仿生软体机器人正运动学分析59-64
• 4.3.1 单节软体机器人的正运动学59-62
• 4.3.2 多节软体机器人的空间正运动学62-64
• 4.4 长臂式仿生软体机器人逆运动学分析64-65
• 4.4.1 单节软体机器人的逆运动学模型64-65
• 4.4.2 多节软体机器人的逆运动学模型65
• 4.5 长臂式仿生软体机器人运动学仿真65-66
• 4.6 长臂式仿生软体机器人运动位姿仿真66-67
• 4.7 本章小结67-69
• 第5章 长臂式仿生软体机器人静力学和运动学实验研究69-81
• 5.1 试验系统69-73
• 5.1.1 实验原理69
• 5.1.2 硬件系统69-71
• 5.1.3 实验平台及其接线图71-72
• 5.1.4 软件系统72-73
• 5.2 长臂式仿生软体机器人轴向伸长实验73-77
• 5.3 长臂式仿生软体机器人弯曲角度实验77-78
• 5.4 长臂式仿生软体机器人的运动实验78-79
• 5.5 本章小结79-81
• 第6章 总结与展望81-83
• 6.1 全文总结81
• 6.2 创新点81-82
• 6.3 展望82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-89
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果89

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