基于弧形FPA新型氣動(dòng)剛?cè)嵝躁P(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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。隨著服務(wù)型機(jī)器人的快速發(fā)展，柔性執(zhí)行器（或驅(qū)動(dòng)器）已成為機(jī)器人技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。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)人工肌肉作為一種新型執(zhí)行器（或驅(qū)動(dòng)器），由于可以直接驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、易于控制、功率/重量比大，尤其是可以滿足服務(wù)型機(jī)器人對(duì)安全性，柔軟性和舒適性提出的更高要求的柔性性能等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，且在機(jī)器人領(lǐng)

2、域的研究和應(yīng)用有了較大的進(jìn)展，并取得了初步的成效。本文研究的弧形氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA，作為柔性驅(qū)動(dòng)器，可以構(gòu)成各種關(guān)節(jié)?；⌒螝鈩?dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA構(gòu)成的關(guān)節(jié)除了具有典型人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)外，還具有相對(duì)比較高的剛性的特點(diǎn)。 本文提出了氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計(jì)，利用弧形FPA的數(shù)量和組合的不同設(shè)計(jì)并制作了各類(lèi)氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)；基于弧形FPA的特性，對(duì)各類(lèi)關(guān)節(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容有： 1、本文首先介紹了已有的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的研

3、究狀況，針對(duì)已往的直管式基于FPA的各類(lèi)關(guān)節(jié)在受到較大外力易發(fā)生變形以及球關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的存在非球面性的缺點(diǎn)，提出了利用弧形FPA的伸縮特性來(lái)制作氣動(dòng)柔性關(guān)節(jié)的方案。 2、對(duì)弧形氣動(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。通過(guò)受力平衡原理建立弧形FPA的靜態(tài)模型，并基于氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立弧形FPA充放氣過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型；通過(guò)仿真分析弧形FPA基本參數(shù)變化對(duì)弧形FPA特性的影響；制作弧形FPA，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)弧形FPA

4、的模型和基本特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 3、在弧形FPA研究的基礎(chǔ)上，提出并介紹了由兩個(gè)弧形FPA構(gòu)成的氣動(dòng)剛?cè)嵝詡?cè)擺關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理；根據(jù)力矩平衡的原理建立并分析了側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型，建立關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型；通過(guò)仿真分析弧形FPA基本參數(shù)變化對(duì)弧形FPA特性的影響；制作側(cè)擺關(guān)節(jié)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)側(cè)擺關(guān)節(jié)進(jìn)行模型和特性實(shí)驗(yàn)研究。 4、提出并介紹了由三個(gè)弧形FPA構(gòu)成的氣動(dòng)剛?cè)嵝郧蜿P(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理：根據(jù)力矩平衡的原理求解出球

5、關(guān)節(jié)的位置逆解方程；根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解了球關(guān)節(jié)位置正解，并對(duì)球關(guān)節(jié)工作空間進(jìn)行分析；搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作球關(guān)節(jié)進(jìn)行模型和特性實(shí)驗(yàn)研究。 5、在以上彎曲關(guān)節(jié)、側(cè)擺關(guān)節(jié)和球關(guān)節(jié)的研究基礎(chǔ)上，提出了三自由度手指、四自由度手指、五自由度手指以及基于弧形FPA的氣動(dòng)柔性靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并分析手指的坐標(biāo)變換。 6、結(jié)果表明通過(guò)對(duì)輸入關(guān)節(jié)腔室的氣體壓力控制，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)即可得到控制，各關(guān)節(jié)動(dòng)作具有良好的重復(fù)性。