气动安全柔性关节的设计及其在机器人手指中的应用研究

作     者：刘旭东 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马履中

授予年度：2008年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机器人手指 气体驱动 安全柔性关节 弹性骨架 弯曲变形 

摘      要：机器人的一个很关键的部分是末端执行器--机械手,在许多应用场合机械手要有较好的柔性。例如,对于用在农业生产中的果蔬(如苹果,西红柿)采摘机器人,其手指要有较高的柔性,这样才能避免损伤果蔬的表皮。所以研究带有柔性关节的机器人柔性手指结构以及手指关节的驱动方式有着重要的意义。 从各种驱动器类型看,传统的液、电驱动器都有各自的不足之处,只能部分满足功能上的要求。而研究以气体为动力的驱动器以及由其所构成的柔性关节对机器人领域具有重大的应用价值。目前,国际上的气体驱动器主要有“弯管驱动器,“Bellows驱动器等。而国内浙江工业大学等一些高校在气体驱动器和柔性关节的结构创新方面进行了深入的研究并取得了一些成果,这些都促进和拓展了气动柔性关节在机器人手指领域的研究和应用。 上述的大部分气体驱动器的工作原理都是利用气体的柔顺性,可多自由度弯曲的特点。本文的研究从如何提高由气动柔性关节所构成的机器人手指在抓取物时的安全可靠性出发,提出了双气囊气体驱动的柔性关节结构。 1.对于以板弹簧为弹性骨架的气动安全柔性关节 (1)本文在该种关节的结构上设计使用了两个气囊对一个单方向弯曲的关节进行驱动。这样,在实际使用中即使其中一个气囊发生破裂,驱动力下降,则通过压力反馈装置使供气设备向余下气囊加压,在瞬时可使整个手指关节气压回复到原来状态,可以继续正常抓物工作;(2)设计完成了关节的控制系统;(3)设计完成了由两个该关节所构成的单根机器人手指;(4)建立了关节气囊内压和板弹簧弯曲角度,位移的静态数学模型。使用Mathematica4软件完成了对模型方程的求解,并且通过选取两组不同规格的板弹簧对上述的数学关系式和关系曲线进行了验证;(5)建立了抓持物体时该种关节的力学模型和数学模型以及抓持力与气囊内压力的数学关系式。通过变形角度计算和位移变形坐标变换计算,使用Mathematica4软件完成了对第一,第二类不完全椭圆积分的求解,并且以某种规格的板弹簧为例,分析了不同抓取力时的板弹簧变形参数,得出该种柔性关节柔度大,可作单方向以悬臂梁弯曲变形形式的弯曲运动。 2.对于以带扭簧的板铰链为弹性骨架的气动安全柔性关节 (1)在该种关节的结构上设计了两个气囊对一个单自由度,单方向弯曲的关节进行驱动,设计完成了关节的控制系统以及由两个该关节构成的单根机器人手指;(2)完成了该种关节的动力学分析,得出了在假设条件下关节的角位移与内腔气体压力成线性关系;(3)在该种气动安全柔性关节的应用研究上,完成了关节的抓持物分析,得出了关节角位移和抓握力均与关节气囊内腔的气体压强成线性关系,并且以某种规格的板弹簧为例,验证了上述结论的正确性。所以由该种气动安全柔性关节所构成的机器人手指是比较简单的,控制方便的手指。 3.上述的两种方案都是以气体驱动力为抓取力,本文的研究还采用逆向思维方法,对以气体驱动力为松开力的气动安全柔性关节的设计方案进行了探讨。设计出以板弹簧中的弹簧力为抓取力,以气体驱动力为松开力的关节。这表明由该关节构成的手指在非工作状态时是闭合的,靠气体的膨胀力使其张开。如果在工作中,气囊发生漏气等不安全性问题,靠关节中板弹簧闭合力,仍然可以抓紧物体,这同样解决了工作中的安全可靠性问题。同时该关节在非工作状态时是闭合的,它所占据的空间将会很小,特别在运动中更加显示其优越性,这样使机器人手指更为紧凑。 综上所述,本文的研究为气动柔性关节的应用奠定了一定的理论基础和安全可靠基础。本文所设计出的气动安全柔性关节以及由该关节构成的机器人手指应该在工业,农业,医疗以及服务业中有较好的应用前景。