【摘要】：本文以面向非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)任務(wù)需求的繩驅(qū)動連續(xù)體機(jī)器人為研究對象,圍繞“多繩牽引,并聯(lián)驅(qū)動”的設(shè)計(jì)理念系統(tǒng)開展了連續(xù)體機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)選、運(yùn)動學(xué)分析、靜力學(xué)分析、模擬仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣機(jī)搭建及實(shí)驗(yàn)研究等方面的研究工作。首先,提出基于并聯(lián)平臺驅(qū)動的多繩牽引方式,采用驅(qū)動繩索分體布置的布線方式,按照工況和任務(wù)需求進(jìn)行導(dǎo)線管的布置,實(shí)現(xiàn)連續(xù)體機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制。分析綜合出2種構(gòu)型展開性能分析與優(yōu)選。求解兩種機(jī)械臂構(gòu)型的運(yùn)動方程和工作空間,分析兩種機(jī)械臂構(gòu)型在4種狀態(tài)下的受力狀況,借助ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真分析。綜合對比分析兩種機(jī)械臂構(gòu)型,選用鎳鈦合金絲構(gòu)型作為連續(xù)體機(jī)器人執(zhí)行端機(jī)械臂展開進(jìn)一步分析與研究。其次,求解分析連續(xù)體機(jī)械臂驅(qū)動繩長變化范圍,利用MATLAB軟件繪制出繩索的繩長變化圖,求解3-RPS并聯(lián)平臺的位姿變換矩陣和運(yùn)動反解方程,推導(dǎo)出并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程,得到并聯(lián)平臺分支驅(qū)動力與承受的外力之間的關(guān)系。選取單節(jié)連續(xù)體機(jī)械臂彎曲30°的狀態(tài),展開并聯(lián)平臺的分支驅(qū)動力求解,并基于ADAMS軟件進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證。再次,明晰繩驅(qū)動機(jī)器人的整體控制策略,進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建,構(gòu)建基于MATLAB軟件Simulink模塊的并聯(lián)平臺控制模型,確定控制系統(tǒng)相關(guān)零部件的選型,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)線路的合理布局,形成“上位機(jī)數(shù)據(jù)處理+下位機(jī)電機(jī)驅(qū)動”的控制體系,完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。進(jìn)行零部件選型分析和整體系統(tǒng)搭建,完成了繩驅(qū)動連續(xù)體機(jī)器人樣機(jī)的制備。最后,開展了繩驅(qū)動連續(xù)體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究,對比分析3繩驅(qū)動與多繩驅(qū)動的抗變形能力,研究單節(jié)機(jī)械臂的姿態(tài)與繩長變化的關(guān)系以及并聯(lián)平臺姿態(tài)與驅(qū)動器位移的關(guān)系,分析連續(xù)體機(jī)器人理論姿態(tài)變化與實(shí)際姿態(tài)變化的差異,驗(yàn)證了連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)動理論與控制系統(tǒng)的合理性與正確性。
【圖文】：

圖 1-1 噴涂柔性機(jī)器人 圖 1-2 主動式內(nèi)窺鏡mmega 等人設(shè)計(jì)制作了 KSI 觸手型機(jī)械手[21]，如圖 1-3 所示，該機(jī)械手機(jī)以及繩索進(jìn)行驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)各個方向的彎曲運(yùn)動，能夠按照任務(wù)。Nakamura 等人設(shè)計(jì)制作了一種主動式腹腔鏡手術(shù)鉗[22]，如圖 1-4 所采用形狀記憶合金（SMA）制成，能夠在產(chǎn)生變形的同時兼具一定的 21 世紀(jì)以來，連續(xù)體機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段，在構(gòu)型模及工程應(yīng)用等方面均取得了較好的進(jìn)步。國 Clemson 大學(xué)的 Walker 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種具有冗余連續(xù)特性的仿生象3-26]，如圖 1-5 所示。該仿生象鼻型機(jī)器人采用繩索驅(qū)動，主要由 16 個，每個關(guān)節(jié)選用彈簧增加剛度和輔助驅(qū)動，，通過繩索進(jìn)行驅(qū)動控制，內(nèi)的多自由度運(yùn)動與物品的抓持。

圖 1-1 噴涂柔性機(jī)器人 圖 1-2 主動式內(nèi)窺鏡mmega 等人設(shè)計(jì)制作了 KSI 觸手型機(jī)械手[21]，如圖 1-3 所示，該機(jī)械手機(jī)以及繩索進(jìn)行驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)各個方向的彎曲運(yùn)動，能夠按照任務(wù)。Nakamura 等人設(shè)計(jì)制作了一種主動式腹腔鏡手術(shù)鉗[22]，如圖 1-4 所采用形狀記憶合金（SMA）制成，能夠在產(chǎn)生變形的同時兼具一定的 21 世紀(jì)以來，連續(xù)體機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段，在構(gòu)型模及工程應(yīng)用等方面均取得了較好的進(jìn)步。國 Clemson 大學(xué)的 Walker 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種具有冗余連續(xù)特性的仿生象3-26]，如圖 1-5 所示。該仿生象鼻型機(jī)器人采用繩索驅(qū)動，主要由 16 個，每個關(guān)節(jié)選用彈簧增加剛度和輔助驅(qū)動，通過繩索進(jìn)行驅(qū)動控制，內(nèi)的多自由度運(yùn)動與物品的抓持。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

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