線驅(qū)動(dòng)硅膠軟體機(jī)械臂建模與控制.pdf

1、隨著時(shí)代的發(fā)展，機(jī)器人漸漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪?。但由于剛性結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的表現(xiàn)難以令人滿意。在這樣的背景下，作為對(duì)剛性機(jī)器人的重要補(bǔ)充，軟體機(jī)器人開始出現(xiàn)在人們的視野里。軟體機(jī)器人的靈感及設(shè)計(jì)理念來(lái)源于生物界中的軟體組織，研究者期望通過(guò)對(duì)軟體組織材料、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)機(jī)理的模仿，制造出一種像哺乳動(dòng)物舌頭、章魚觸手一樣具有良好靈活性與延展性的軟體機(jī)器人。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在材料與結(jié)構(gòu)

2、方面。軟體機(jī)器人由柔性材料制作，而且內(nèi)部不包含剛性結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也采用的具有良好柔性的裝置。因而軟體機(jī)器人能表現(xiàn)出良好的靈活性與安全性，從而能在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中自如運(yùn)動(dòng)。雖然軟體機(jī)器人有著傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但材料的柔性使得軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理變得復(fù)雜，這給軟體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模、控制器設(shè)計(jì)等理論分析帶來(lái)極大的困難，因而嚴(yán)重制約了軟體機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。為解決軟體機(jī)器人的上述問(wèn)題，本文以線驅(qū)動(dòng)硅膠軟體機(jī)械臂為研究對(duì)象，針對(duì)軟體機(jī)械

3、臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模與控制、形狀檢測(cè)等問(wèn)題展開一系列的研究，研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)概述如下：
　　本文分析了線驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及狹小環(huán)境對(duì)軟體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的影響，在分段常曲率假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了線驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；同時(shí)，針對(duì)軟體機(jī)械臂手眼系統(tǒng)，提出了一種能在線估計(jì)受限運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中未知參數(shù)的自適應(yīng)控制算法，運(yùn)用巴巴拉引理，證明了控制算法的穩(wěn)定性；最后，設(shè)計(jì)了受限環(huán)境下的視覺(jué)伺服對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制算法，并分析了控制參數(shù)

4、以及環(huán)境對(duì)軟體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的影響。隨后，結(jié)合幾何精確Cosserat梁理論，改進(jìn)了基于分段常曲率假設(shè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出了新的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；在新運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用凱恩方法，建立了描述軟體機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程；在動(dòng)力學(xué)建模中，基于集中參數(shù)假設(shè)，分析了軟體機(jī)械臂各單元的慣性力與重力；結(jié)合粘彈性材料的開爾文模型，分析了各單元的彈性內(nèi)力；同時(shí)研究驅(qū)動(dòng)線的驅(qū)動(dòng)原理，分析了驅(qū)動(dòng)線的驅(qū)動(dòng)力；對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行化簡(jiǎn)與整理，將方程改寫為便于數(shù)值求解的形式

5、；最后，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，并與商業(yè)軟件RecurDyn結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。最后分析了軟體機(jī)械臂形狀反饋在實(shí)際應(yīng)用中的必要性，隨后在光纖布拉格光柵傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的曲率-撓率測(cè)量算法，能將光柵測(cè)量到的應(yīng)變信息換算為光柵處的曲率和撓率；結(jié)合光順曲線理論與三次 B樣條理論，提出了一種形狀檢測(cè)算法，該算法能根據(jù)測(cè)量到的曲率、撓率信息計(jì)算出軟體機(jī)械臂中心線的形狀；最后，設(shè)計(jì)了仿真驗(yàn)證了算法