氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA的特性及其在多指靈巧手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

1、末端執(zhí)行器作為機(jī)器人與外界環(huán)境互相作用的最后執(zhí)行部件一直受到研究人員的關(guān)注。除了傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以外，氣動(dòng)人工肌肉PMA作為一種新型的驅(qū)動(dòng)器，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率/重量比大等優(yōu)點(diǎn)得到眾多學(xué)者的關(guān)注，相繼研制出氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)、仿人手臂等。但是PMA還需要其他輔助機(jī)構(gòu)才能構(gòu)成關(guān)節(jié)和手臂，使用中增加了體積、重量，也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制帶來不便。本課題組研究的新型氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA，既是驅(qū)動(dòng)器也是執(zhí)行器，可以直接構(gòu)成各種關(guān)節(jié)。本文在以往研究的

2、基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究了FPA及各種關(guān)節(jié)的特性，研制了氣動(dòng)柔性三指手爪、提出了氣動(dòng)柔性多指靈巧手的設(shè)計(jì)思路，為FPA及柔性關(guān)節(jié)的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文首先對(duì)氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA的靜態(tài)模型和基本特性進(jìn)行了深入的研究。分析了FPA平均半徑和橡膠管壁厚的變化情況及其對(duì)FPA特性的影響，根據(jù)建立的靜態(tài)模型，分析了FPA的恒輸出力特性、恒壓特性和恒長(zhǎng)特性，并且分析了FPA在外力作用下的壓桿穩(wěn)定性問題；基于氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立FPA充放氣

3、過程的動(dòng)態(tài)模型，并分析了各種參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)過程的影響；對(duì)FPA的模型和基本特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 在氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA的橡膠管壁內(nèi)嵌入約束鋼絲，得到氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的彎曲運(yùn)動(dòng)。重點(diǎn)分析建立彎曲關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，靜態(tài)模型是基于對(duì)彎曲關(guān)節(jié)端截面的力平衡和力矩平衡分析得到，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；分析了關(guān)節(jié)壁厚、長(zhǎng)度、半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彎曲角度的影響；彎曲關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型與FPA類似，其動(dòng)態(tài)模型仿真結(jié)果表明動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間相對(duì)很短

4、，可以忽略不計(jì)。 氣動(dòng)柔性扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是FPA的另一個(gè)應(yīng)用，扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由兩個(gè)弧形的FPA構(gòu)成，可以在平面內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在彎曲關(guān)節(jié)模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，建立扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型，并分析了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的影響；建立了扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程，仿真實(shí)驗(yàn)表明FPA的充放氣過程與關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)過程相比時(shí)間極短，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制過程中可以忽略不計(jì)；分析討論橡膠管壁厚、平均半徑、初始角度、氣體節(jié)流口面積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、粘性阻尼系數(shù)等因素對(duì)扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

5、動(dòng)態(tài)特性的影響；對(duì)扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了開環(huán)和PID控制實(shí)驗(yàn)研究。 在以上研究的基礎(chǔ)上，研制了氣動(dòng)柔性三指手爪，該手爪以氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)作為爪指，以扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成腕部，可以實(shí)現(xiàn)抓握和轉(zhuǎn)腕動(dòng)作。分析建立了三指手爪的數(shù)學(xué)模型和爪指指端的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析了手爪的抓持模式，建立抓取簡(jiǎn)單形狀目標(biāo)時(shí)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)和氣動(dòng)柔性球關(guān)節(jié)研究的基礎(chǔ)上，提出了五自由度手指的設(shè)計(jì)，由一個(gè)球關(guān)節(jié)和兩個(gè)彎曲關(guān)節(jié)串聯(lián)得到一個(gè)五