基于弧形FPA新型氣動剛?cè)嵝躁P(guān)節(jié)的設(shè)計與實驗研究.pdf

1、末端執(zhí)行器作為機器人與外界環(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)型機器人的快速發(fā)展，柔性執(zhí)行器（或驅(qū)動器）已成為機器人技術(shù)研究與開發(fā)的熱點之一。除了傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)以外，氣動人工肌肉作為一種新型執(zhí)行器（或驅(qū)動器），由于可以直接驅(qū)動、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、易于控制、功率/重量比大，尤其是可以滿足服務(wù)型機器人對安全性，柔軟性和舒適性提出的更高要求的柔性性能等特點，國內(nèi)外眾多學者對其進行了大量的研究工作，且在機器人領(lǐng)

2、域的研究和應(yīng)用有了較大的進展，并取得了初步的成效。本文研究的弧形氣動柔性驅(qū)動器FPA，作為柔性驅(qū)動器，可以構(gòu)成各種關(guān)節(jié)?；⌒螝鈩尤嵝则?qū)動器FPA構(gòu)成的關(guān)節(jié)除了具有典型人工肌肉驅(qū)動器的特點外，還具有相對比較高的剛性的特點。 本文提出了氣動柔性關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計，利用弧形FPA的數(shù)量和組合的不同設(shè)計并制作了各類氣動柔性關(guān)節(jié)；基于弧形FPA的特性，對各類關(guān)節(jié)進行了實驗研究，主要研究內(nèi)容有： 1、本文首先介紹了已有的氣動驅(qū)動器的研

3、究狀況，針對已往的直管式基于FPA的各類關(guān)節(jié)在受到較大外力易發(fā)生變形以及球關(guān)節(jié)在運動時的存在非球面性的缺點，提出了利用弧形FPA的伸縮特性來制作氣動柔性關(guān)節(jié)的方案。 2、對弧形氣動柔性驅(qū)動器FPA的靜態(tài)模型和基本特性進行了深入的研究。通過受力平衡原理建立弧形FPA的靜態(tài)模型，并基于氣動系統(tǒng)動力學建立弧形FPA充放氣過程的動態(tài)模型；通過仿真分析弧形FPA基本參數(shù)變化對弧形FPA特性的影響；制作弧形FPA，搭建實驗平臺，對弧形FPA

4、的模型和基本特性進行了實驗研究。 3、在弧形FPA研究的基礎(chǔ)上，提出并介紹了由兩個弧形FPA構(gòu)成的氣動剛?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)的動態(tài)模型；通過仿真分析弧形FPA基本參數(shù)變化對弧形FPA特性的影響；制作側(cè)擺關(guān)節(jié)，搭建實驗平臺，對側(cè)擺關(guān)節(jié)進行模型和特性實驗研究。 4、提出并介紹了由三個弧形FPA構(gòu)成的氣動剛?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)機構(gòu)的特點，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解了球關(guān)節(jié)位置正解，并對球關(guān)節(jié)工作空間進行分析；搭建實驗平臺，制作球關(guān)節(jié)進行模型和特性實驗研究。 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的氣動柔性靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并分析手指的坐標變換。 6、結(jié)果表明通過對輸入關(guān)節(jié)腔室的氣體壓力控制，各關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)即可得到控制，各關(guān)節(jié)動作具有良好的重復(fù)性。