連續(xù)型機(jī)械臂具有運(yùn)動(dòng)靈活、可適應(yīng)多障礙環(huán)境、柔性關(guān)節(jié)等特點(diǎn),能在有限、狹小、危險(xiǎn)空間內(nèi)作業(yè),在復(fù)雜設(shè)備維護(hù)方面將會(huì)有極大的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前連續(xù)性機(jī)械臂主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),其末端承載能力有限,一般小于5 kg。設(shè)計(jì)一種采用液壓驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)械臂,關(guān)節(jié)間采用金屬材料,并使用萬(wàn)向節(jié)連接。分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證模型正確性。 

【文章來(lái)源】：液壓與氣動(dòng). 2017,(09)北大核心

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【部分圖文】：

機(jī)械臂工作原理

液壓與氣動(dòng)2017年第9期少需要3根驅(qū)動(dòng)繩才能驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂向任意方向彎曲。通過對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，只要找出不同姿態(tài)下鋼絲繩位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可通過拉伸鋼絲繩驅(qū)動(dòng)整節(jié)機(jī)械臂。圖1機(jī)械臂工作原理圖2機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型連續(xù)型機(jī)械臂由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的D-H法已不再適用。JONES等［7］利用修正的D-H方法實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和分析。通過分析連續(xù)曲線的幾何特征來(lái)進(jìn)行建模。連續(xù)曲線是連續(xù)型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的常用方法，可將多段機(jī)械臂看成是一光滑圓弧，機(jī)械臂在以任意角度彎曲時(shí)，圓弧長(zhǎng)度不變，僅曲率發(fā)生變化，由此可計(jì)算出關(guān)節(jié)彎角與驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)之間的關(guān)系。進(jìn)行分析時(shí)需要進(jìn)行如下假設(shè):①假設(shè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)在彎曲時(shí)曲率處處相等;②假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程忽略重力對(duì)機(jī)械臂的影響;③脊椎結(jié)構(gòu)的小關(guān)節(jié)相對(duì)于中心支撐物是固定的，在彎曲時(shí)僅發(fā)生橫截面方向的彎曲，不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。如圖3所示，在初始關(guān)節(jié)和末端關(guān)節(jié)原盤處分別建立坐標(biāo)系O1、O2，z軸均垂直于圓盤，在機(jī)械臂彎曲時(shí)，將多段關(guān)節(jié)組成的中軸線看成一光滑曲線，在往任意方向彎曲時(shí)，曲線始終保持在一個(gè)平面O1、O0、O內(nèi)，此時(shí)兩坐標(biāo)系所成角度θ為彎曲角，彎曲平面O1、O0、O與z1所成的夾角。連續(xù)曲線的長(zhǎng)度為s，關(guān)節(jié)盤上驅(qū)動(dòng)繩到中心的距離為d，根據(jù)幾何關(guān)系可計(jì)算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分別為3根驅(qū)動(dòng)線的位移;θ為彎曲角;φ為方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s為連續(xù)曲線長(zhǎng)度;d驅(qū)動(dòng)線所在圓的直徑。圖3機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由以上關(guān)系可以看出，3根去驅(qū)動(dòng)線的位移?

?諭?我夥較蟯?曲時(shí)，曲線始終保持在一個(gè)平面O1、O0、O內(nèi)，此時(shí)兩坐標(biāo)系所成角度θ為彎曲角，彎曲平面O1、O0、O與z1所成的夾角。連續(xù)曲線的長(zhǎng)度為s，關(guān)節(jié)盤上驅(qū)動(dòng)繩到中心的距離為d，根據(jù)幾何關(guān)系可計(jì)算出:l1=s－d·θ/2·cosφ(1)l2=s－d·θ/2·cos(φ+2π/3)(2)l3=s－d·θ/2·cos(－φ+2π/3)(3)l1+l2+l3=3s(4)式中，l1、l2、l3分別為3根驅(qū)動(dòng)線的位移;θ為彎曲角;φ為方向角;θ∈［0，π/2］，φ∈［0，π);s為連續(xù)曲線長(zhǎng)度;d驅(qū)動(dòng)線所在圓的直徑。圖3機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由以上關(guān)系可以看出，3根去驅(qū)動(dòng)線的位移均與彎曲角和方向角相關(guān)，即驅(qū)動(dòng)線位移存在運(yùn)動(dòng)耦合，在運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)繩需滿足以上關(guān)系才能保持姿態(tài)。從式(4)中可看出，3根繩的位移之和始終保持不變，也就是3根驅(qū)動(dòng)繩位移變化量之和始終為0。機(jī)械臂的執(zhí)行器安裝在末端，通過機(jī)械臂的彎曲使得末端到達(dá)指定位置，其末端能到達(dá)的所有位置的集合也就是機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間。假設(shè)單節(jié)機(jī)械臂的長(zhǎng)度為600mm，彎角和轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍是(0，180°］，［0，360°)，通過計(jì)算轉(zhuǎn)角和空間坐標(biāo)的關(guān)系，可以得到式(5)～式(7)，即不同轉(zhuǎn)角下機(jī)械臂末端對(duì)應(yīng)的所有空間點(diǎn)的坐標(biāo)，將末端能達(dá)到的店繪出即可得到單機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間，在MATLAB中編程繪制出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間如圖4所示［8］，可見機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間為一近似球面，在增加多節(jié)機(jī)械臂后，運(yùn)動(dòng)空間則會(huì)近似球面變?yōu)榭臻g，實(shí)用性會(huì)得到增強(qiáng)。x=sθ·cosφ·(1－cosθ)(5)y=sθ·sinφ·(1－cosθ)(6)z=sθ·sinθ(7)14?????????????????????????????????????????????????

【參考文獻(xiàn)】：
碩士論文
[1]連續(xù)型腹腔內(nèi)窺鏡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化研究[D]. 劉陽(yáng)輝.廣東工業(yè)大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3499923