一种含平面折展机构的机械臂工作空间分析
发布时间：2021-12-24 06:53
连续体机械臂应用越来越广泛,在灾后搜救、微型手术等狭窄空间的应用倍受关注。目前人们受象鼻启发设计的连续体机械臂已应用于多个领域,但在一些较复杂的空间具有很多局限性,如无法伸长或伸长量过大影响实际操作等问题。因此本文提出一种以平面折展机构作为基本单元的连续体机械臂并对其进行工作空间分析。针对平面折展机构工作空间难以确定的问题,基于伪刚体法,将平面折展机构等效成扭簧与刚性杆连接而成的欠驱动刚性并联机构,通过伪刚体思想求解各等效扭簧刚度以及最大扭转角度,并采用有限元软件分析了此机械臂基本单元伪刚体杆极限应力,验证了基于伪刚体法求解的极限扭转角度的正确性;建立各支链其闭环矢量约束方程以及应变能模型,提出分析柔性平面折展机构中心动平台位置问题的一种数值方法,采用绝对节点坐标法（ANCF）验证了此方法的正确性;基于此位置分析方法,采用全局搜索法对平面折展机构工作空间进行求解。设计一种以柔性平面折展机构作为基本单元的连续体机械臂,基于分段常曲率假设,采用D-H坐标法建立其运动学模型,采用ABAQUS仿真了单关节在任意位姿下的状态,验证了其运动学模型的正确性;结合平面折展机构等效扭簧极限扭转角度采用全...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双层平面弹簧串联组成的连续体机械臂Fig.1-1Thecontinuummanipulatorcomposedofdouble-layerplanarspringsconnectedinseries
西安理工大学硕士学位论文4员对此类结构进行优化，将其应用到电极植入以及颅内检查等医学领域[19,20]。图1-3同心管式连续体机械臂Figure1-3Concentrictubecontinuummanipulator另外，还有一种采用局部驱动的连续体机械臂深受广大学者青睐，此类机械臂采用仿生肌肉作为执行器，对每段“肌肉”分别采用气动或其他形式的驱动方式使其弯曲成特定形状，从而完成特定动作。例如，德国Festo公司根据象鼻研制了一种称为“仿生处理助手”的连续体机械臂(如图1-4所示)，此机械臂的关节均由气囊组成，对每个气囊中充气或吸气可控制其弯曲[21]。图1-4德国festo-仿生处理助手（BHA）Figure1-4GermanyFesto-BionicHandlingAssistant(BHA)综合以上叙述，目前国外关于连续体机械臂的研究主要集中在以下三种结构上：a)以弹簧作为骨架采用肌腱驱动的连续体机械臂，此类机械臂难以控制，其弹簧骨架压缩不受控，故一些研究人员用不可压缩柔性杆代替弹簧骨架，此方法虽被广泛接纳，但丧失了其伸长及压缩功能。b)基于同心柔性管设计的连续体机械臂（如图1-3），管之间可以相对平移或旋转，可使用本身具有一定曲率的弯管实现其弯曲，明显限制了其工作空间，另外可采用外部肌腱等驱动使其弯曲，这样显然增大了其设计复杂性。c)以仿生肌肉作为执行器的连续体机械臂（如图1-4），此类机械臂一般采用多段组合式结构，另外一般采用气动等方式在肌肉内部调整压力，使其伸长或弯曲成目标曲率的曲线。这类机械臂相对前两种在伸长、弯曲等性能上具有明显优势，然而其产生力的能力较低，管路阀门等设计比较复杂，对调压设备等要求较高。
西安理工大学硕士学位论文4员对此类结构进行优化，将其应用到电极植入以及颅内检查等医学领域[19,20]。图1-3同心管式连续体机械臂Figure1-3Concentrictubecontinuummanipulator另外，还有一种采用局部驱动的连续体机械臂深受广大学者青睐，此类机械臂采用仿生肌肉作为执行器，对每段“肌肉”分别采用气动或其他形式的驱动方式使其弯曲成特定形状，从而完成特定动作。例如，德国Festo公司根据象鼻研制了一种称为“仿生处理助手”的连续体机械臂(如图1-4所示)，此机械臂的关节均由气囊组成，对每个气囊中充气或吸气可控制其弯曲[21]。图1-4德国festo-仿生处理助手（BHA）Figure1-4GermanyFesto-BionicHandlingAssistant(BHA)综合以上叙述，目前国外关于连续体机械臂的研究主要集中在以下三种结构上：a)以弹簧作为骨架采用肌腱驱动的连续体机械臂，此类机械臂难以控制，其弹簧骨架压缩不受控，故一些研究人员用不可压缩柔性杆代替弹簧骨架，此方法虽被广泛接纳，但丧失了其伸长及压缩功能。b)基于同心柔性管设计的连续体机械臂（如图1-3），管之间可以相对平移或旋转，可使用本身具有一定曲率的弯管实现其弯曲，明显限制了其工作空间，另外可采用外部肌腱等驱动使其弯曲，这样显然增大了其设计复杂性。c)以仿生肌肉作为执行器的连续体机械臂（如图1-4），此类机械臂一般采用多段组合式结构，另外一般采用气动等方式在肌肉内部调整压力，使其伸长或弯曲成目标曲率的曲线。这类机械臂相对前两种在伸长、弯曲等性能上具有明显优势，然而其产生力的能力较低，管路阀门等设计比较复杂，对调压设备等要求较高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联机构工作空间方法的分析应用[J]. 刘小娟,刘辉燏睿. 内燃机与配件. 2019(19)
[2]具有提升功能的新型柔性铰链设计[J]. 邱丽芳,陈明坤,冷迎春,王晶琳. 哈尔滨工程大学学报. 2018(08)
[3]双层LEMs提升机构设计与分析[J]. 邱丽芳,冷迎春,吴友炜. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]多杆连续体机构:构型与应用[J]. 徐凯,刘欢. 机械工程学报. 2018(13)
[5]软体机器人前沿技术及应用热点[J]. 侯涛刚,王田苗,苏浩鸿,常帅,陈令坤,郝雨飞,文力. 科技导报. 2017(18)
[6]平面折展机构平面弹簧的设计与分析[J]. 刘凯,曹毅,丁锐. 中国机械工程. 2016(19)
[7]柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析[J]. 赵志刚,陈志刚. 机械科学与技术. 2015(02)
[8]基于粒子群优化方法的同心管连续型机器人运动学算法[J]. 谢红,王涛,沈越锋,汪旭红,何斌,程黎明. 机械科学与技术. 2015(01)
[9]LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化[J]. 邱丽芳,韦志鸿,俞必强,王林浩. 工程力学. 2014(01)
[10]基于旋量法的连续体搜救机器人运动学分析[J]. 张小俊,孙凌宇,张明路,张玉娟. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(12)
博士论文
[1]气动柔性象鼻型连续机器人研究[D]. 邵铁锋.浙江工业大学 2014
本文编号：3550016
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双层平面弹簧串联组成的连续体机械臂Fig.1-1Thecontinuummanipulatorcomposedofdouble-layerplanarspringsconnectedinseries
西安理工大学硕士学位论文4员对此类结构进行优化，将其应用到电极植入以及颅内检查等医学领域[19,20]。图1-3同心管式连续体机械臂Figure1-3Concentrictubecontinuummanipulator另外，还有一种采用局部驱动的连续体机械臂深受广大学者青睐，此类机械臂采用仿生肌肉作为执行器，对每段“肌肉”分别采用气动或其他形式的驱动方式使其弯曲成特定形状，从而完成特定动作。例如，德国Festo公司根据象鼻研制了一种称为“仿生处理助手”的连续体机械臂(如图1-4所示)，此机械臂的关节均由气囊组成，对每个气囊中充气或吸气可控制其弯曲[21]。图1-4德国festo-仿生处理助手（BHA）Figure1-4GermanyFesto-BionicHandlingAssistant(BHA)综合以上叙述，目前国外关于连续体机械臂的研究主要集中在以下三种结构上：a)以弹簧作为骨架采用肌腱驱动的连续体机械臂，此类机械臂难以控制，其弹簧骨架压缩不受控，故一些研究人员用不可压缩柔性杆代替弹簧骨架，此方法虽被广泛接纳，但丧失了其伸长及压缩功能。b)基于同心柔性管设计的连续体机械臂（如图1-3），管之间可以相对平移或旋转，可使用本身具有一定曲率的弯管实现其弯曲，明显限制了其工作空间，另外可采用外部肌腱等驱动使其弯曲，这样显然增大了其设计复杂性。c)以仿生肌肉作为执行器的连续体机械臂（如图1-4），此类机械臂一般采用多段组合式结构，另外一般采用气动等方式在肌肉内部调整压力，使其伸长或弯曲成目标曲率的曲线。这类机械臂相对前两种在伸长、弯曲等性能上具有明显优势，然而其产生力的能力较低，管路阀门等设计比较复杂，对调压设备等要求较高。
西安理工大学硕士学位论文4员对此类结构进行优化，将其应用到电极植入以及颅内检查等医学领域[19,20]。图1-3同心管式连续体机械臂Figure1-3Concentrictubecontinuummanipulator另外，还有一种采用局部驱动的连续体机械臂深受广大学者青睐，此类机械臂采用仿生肌肉作为执行器，对每段“肌肉”分别采用气动或其他形式的驱动方式使其弯曲成特定形状，从而完成特定动作。例如，德国Festo公司根据象鼻研制了一种称为“仿生处理助手”的连续体机械臂(如图1-4所示)，此机械臂的关节均由气囊组成，对每个气囊中充气或吸气可控制其弯曲[21]。图1-4德国festo-仿生处理助手（BHA）Figure1-4GermanyFesto-BionicHandlingAssistant(BHA)综合以上叙述，目前国外关于连续体机械臂的研究主要集中在以下三种结构上：a)以弹簧作为骨架采用肌腱驱动的连续体机械臂，此类机械臂难以控制，其弹簧骨架压缩不受控，故一些研究人员用不可压缩柔性杆代替弹簧骨架，此方法虽被广泛接纳，但丧失了其伸长及压缩功能。b)基于同心柔性管设计的连续体机械臂（如图1-3），管之间可以相对平移或旋转，可使用本身具有一定曲率的弯管实现其弯曲，明显限制了其工作空间，另外可采用外部肌腱等驱动使其弯曲，这样显然增大了其设计复杂性。c)以仿生肌肉作为执行器的连续体机械臂（如图1-4），此类机械臂一般采用多段组合式结构，另外一般采用气动等方式在肌肉内部调整压力，使其伸长或弯曲成目标曲率的曲线。这类机械臂相对前两种在伸长、弯曲等性能上具有明显优势，然而其产生力的能力较低，管路阀门等设计比较复杂，对调压设备等要求较高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]并联机构工作空间方法的分析应用[J]. 刘小娟,刘辉燏睿. 内燃机与配件. 2019(19)
[2]具有提升功能的新型柔性铰链设计[J]. 邱丽芳,陈明坤,冷迎春,王晶琳. 哈尔滨工程大学学报. 2018(08)
[3]双层LEMs提升机构设计与分析[J]. 邱丽芳,冷迎春,吴友炜. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(04)
[4]多杆连续体机构:构型与应用[J]. 徐凯,刘欢. 机械工程学报. 2018(13)
[5]软体机器人前沿技术及应用热点[J]. 侯涛刚,王田苗,苏浩鸿,常帅,陈令坤,郝雨飞,文力. 科技导报. 2017(18)
[6]平面折展机构平面弹簧的设计与分析[J]. 刘凯,曹毅,丁锐. 中国机械工程. 2016(19)
[7]柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析[J]. 赵志刚,陈志刚. 机械科学与技术. 2015(02)
[8]基于粒子群优化方法的同心管连续型机器人运动学算法[J]. 谢红,王涛,沈越锋,汪旭红,何斌,程黎明. 机械科学与技术. 2015(01)
[9]LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化[J]. 邱丽芳,韦志鸿,俞必强,王林浩. 工程力学. 2014(01)
[10]基于旋量法的连续体搜救机器人运动学分析[J]. 张小俊,孙凌宇,张明路,张玉娟. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(12)
博士论文
[1]气动柔性象鼻型连续机器人研究[D]. 邵铁锋.浙江工业大学 2014
本文编号：3550016
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