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基于滚动接触的仿脊椎多向连续体机械臂的设计与实验

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机械传动 2024年第5期48卷 114-121页

作者：董栋周亮胡俊峰江西理工大学机电工程学院江西赣州341000

针对刚性连续体以及柔性连续体在面对复杂、狭小的空间内的作业需求,基于滚动基础的原理设计了一种仿脊椎的连续体机械臂,在保证连续体单元滚动接触的前提下,可实现连续体多向的运动并减少了连续体各节段模块之间在运动时的相互干涉。... 详细信息

针对刚性连续体以及柔性连续体在面对复杂、狭小的空间内的作业需求,基于滚动基础的原理设计了一种仿脊椎的连续体机械臂,在保证连续体单元滚动接触的前提下,可实现连续体多向的运动并减少了连续体各节段模块之间在运动时的相互干涉。设计的连续体单元结构简单,使用弹性绳成为单元之间的连接元件,具有多轴顺应性;对连续体建立运动学模型并进行了实验验证。结果表明,该连续体具备在非结构化环境下良好的适应能力和运动能力。

关键词：狭小复杂工作空间连续体机械臂滚动接触降低干涉

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连续体机械臂振动特性研究

振动．测试与诊断 2018年第1期38卷 182-189页

作者：高国华李炼石夏齐霄王皓任晗北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124 北京联合大学机器人学院北京100020

连续体机械臂的振动是制约其应用的重要因素,在不同的伸长量及不同的弯曲角度下,其振动的阻尼固有频率与衰减系数是不同的,且无法通过理论计算得出,这为连续体机械臂在运动中振动抑制带来了困难。本研究开发了可变长度的连续体机械臂实... 详细信息

连续体机械臂的振动是制约其应用的重要因素,在不同的伸长量及不同的弯曲角度下,其振动的阻尼固有频率与衰减系数是不同的,且无法通过理论计算得出,这为连续体机械臂在运动中振动抑制带来了困难。本研究开发了可变长度的连续体机械臂实验平台,利用加速度传感器测量连续体机械臂在不同位姿时,对连续体机械臂末端给定牵引长度并释放时加速度,采用基于参数识别方法标定了连续体机械臂末端振动特性参数,标定了不同位姿参数下连续体机械臂的一阶阻尼固有频率与衰减系数,得到一阶阻尼固有频率与衰减系数关于连续体机械臂长度与弯曲角度的函数。结合加速度传感器所测连续体机械臂末端角速度得到了完整的连续体机械臂末端振动模型。最后通过实验对末端点振动模型进行验证,误差小于10%。

关键词：连续体机械臂末端振动振动特性简化模型

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一种具有切口结构的连续体机械臂的力学建模

机器人 2015年第5期37卷 566-572页

作者：杨文龙杜志江董为哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

设计了一种丝驱动的平面连续体机械臂,并建立了针对该切口结构的多冗余度特性的机械臂力学模型.基于有限元方法的基本思想,将多冗余特性的机械臂的力学模型问题分解成多个子变形单元的力学模型问题.在建立的基于Timoshenko梁单元的子变... 详细信息

设计了一种丝驱动的平面连续体机械臂,并建立了针对该切口结构的多冗余度特性的机械臂力学模型.基于有限元方法的基本思想,将多冗余特性的机械臂的力学模型问题分解成多个子变形单元的力学模型问题.在建立的基于Timoshenko梁单元的子变形单元的力学模型中,考虑了整体机械臂中子变形单元在变形过程中的相互耦合作用;此外,在建模中也考虑了驱动丝对柔性机械臂的侧向作用力对柔性臂整体形状的影响;通过该力学模型能够实现从驱动力到关节空间以及子关节空间的关节角度的映射.最后,通过两个不同切口的柔性机械臂的样机实验,验证了所建立的力学模型的有效性.

关键词：连续体机械臂力学模型多冗余度 Timoshenko梁

基于绳驱动的多段柔性连续体机械臂的运动学与实验研究

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科学技术与工程 2023年第19期23卷 8249-8255页

作者：王爽任晗李桢郭超李单青张向慧北方工业大学机械与材料工程学院北京100114 中国科学院自动化研究所多模态人工智能全国重点实验室北京100090 北京协和医学院北京协和医院北京100730

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法... 详细信息

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法,建立了任务空间和驱动空间的正逆运动学映射模型。以任务空间变量连续体机械臂末端位置为神经网络的输入量,驱动空间变量驱动绳的拉伸量为神经网络的输出量,拟合出了连续体机械臂末端位置和驱动绳拉伸量的映射关系。最后,进行了连续体机械臂的弯曲运动和轨迹跟踪实验。实验结果表明:双段连续体机械臂弯曲角度可达180°,验证了连续体机械臂具有大角度弯曲能力;在连续体机械臂末端的圆轨迹跟踪实验中,连续体机械臂的末端在x轴、y轴、z轴方向的平均绝对位置误差为1.743、1.334和1.172 mm,验证了连续体机械臂的运动学模型的有效性。

关键词：手术机器人连续体机械臂运动学分段常曲率神经网络

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多节连续体机械臂的预紧机构装置设计

中国工程机械学报 2022年第1期20卷 51-56页

作者：郭新兰姚利娜南京交通职业技术学院轨道交通学院江苏南京211188 郑州大学电气工程学院河南郑州450001

针对柔索驱动机械臂容易发生绳索松弛从而影响动作准确性和有效载荷能力的问题,设计了一种新型的连续体机械臂混合式预紧机构,并提出了对应的预紧力控制策略。首先,研究了多节柔索驱动超冗余连续机械臂的3个主要组成部分——连续体部件... 详细信息

针对柔索驱动机械臂容易发生绳索松弛从而影响动作准确性和有效载荷能力的问题,设计了一种新型的连续体机械臂混合式预紧机构,并提出了对应的预紧力控制策略。首先,研究了多节柔索驱动超冗余连续机械臂的3个主要组成部分——连续体部件、预紧部件和致动部件,并给出了采用线性电位器的混合式预紧机构具体硬件设计;其次,根据电机和绳索分布,提出了相匹配的混合式预紧力控制策略,包括了2种方式——被动补偿和主动补偿,并对主动补偿的电机角度计算公式进行了推导;最后,通过有效载荷和载荷可操作性试验,对所提预紧机构和控制策略的有效性进行了验证。研究结果表明:有预紧机构机械臂的有效载荷能力增加了20 g,最大高度增加了约200 mm,避免了绳索松弛现象,从而提高了末端位置控制的精度,同时,机械臂的载荷可操作性明显提升。

关键词：连续体机械臂柔索驱动预紧机构机械臂控制有效载荷

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具有旋转运动的连续体机械臂设计及性能分析

具有旋转运动的连续体机械臂设计及性能分析

作者：牛景达江西理工大学

学位级别：硕士

连续体机械臂是一种新型的柔性机械臂,其臂体由柔性的构件组成,具有良好的柔韧性,能够在非结构化和狭窄的空间中运动。与传统的刚性关节型机器人相比更加灵活,操作性更强,在医疗健康、救援救灾、勘探勘测、工业生产中均有较好的应用前... 详细信息

连续体机械臂是一种新型的柔性机械臂,其臂体由柔性的构件组成,具有良好的柔韧性,能够在非结构化和狭窄的空间中运动。与传统的刚性关节型机器人相比更加灵活,操作性更强,在医疗健康、救援救灾、勘探勘测、工业生产中均有较好的应用前景。但是,目前的连续体机械臂大都只能实现弯曲运动,运动形式单一。本文设计了一种具有旋转运动的连续体机械臂,建立其运动学模型,对其运动和力学性能进行分析,主要内容如下:设计了一种可以旋转运动的连续体机械臂模块,机械臂模块由扭簧、间隔盘组成。模块的中心主干为扭簧,模块的驱动部分是由两根线缆呈圆柱螺旋线对称排布,通过拉伸两根驱动线缆可以使得机械臂模块实现旋转运动。根据机械臂模块实现旋转运动的原理和模块的几何位置关系建立旋转模块的运动学模型;对机械臂模块进行受力分析,建立了反映机械臂模块力和运动之间关系的静力学模型。基于该模型,分析机械臂模块结构参数对其弯曲性能的影响。结果表明,扭转角度和形态的变化可以通过调节结构参数和线缆的伸长量来控制。设计了一种可旋转弯曲的连续体机械臂。采用模块化设计方法,连续体机械臂由弯曲模块与旋转模块组成。该机械臂在运动时可通过控制不同模块的驱动线缆使得机械臂完成弯曲与扭转的运动。采用分段常曲率法建立了连续体机械臂的正逆运动学模型,分析了不同结构参数对机械臂弯曲运动性能的影响。基于运动学模型分析了连续体机械臂的工作空间。制作连续体机械臂样机,根据实际需完成的任务对连续体机械臂进行路径规划。实验结果表明,利用该机械臂的旋转、弯曲运动,可以根据不同工况环境下完成既定的任务,说明所设计的连续体机械臂具有多自由度和灵活的运动。提出了一种利用弹力自由伸展的连续体机械臂结构,该机械臂主干部分由塔簧与间隔盘构成,驱动部分是由机械臂外围对称分布的三根驱动线缆组成。该机械臂运动特点是利用自身的弹力伸展向前运动,在伸展过程中通过线缆控制其运动形态。采用分段常曲率方法建立了机械臂的运动学模型,实验验证了理论模型的准确性。基于该模型分析了机械臂的运动状态,描述了机械臂的工作空间。根据既定的任务,利用其运动学模型对机械臂进行路径规划。实验表明,该机械臂可以通过伸展运动完成既定的运动,而且相对于传统的连续体机械臂具有运动快速性的特点。

关键词：连续体机械臂线驱动弹射结构运动学路径规划

基于McKibben细径气动人工肌肉的软连续体机械臂研究

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基于McKibben细径气动人工肌肉的软连续体机械臂研究

作者：刘勇敢上海大学

学位级别：硕士

随着技术的发展,机器人已经广泛的应用到越来越多的领域。作为机器人的一个重要分支,机械臂在人类生产生活中扮演了重要的角色。其中,连续体机械臂因其自身的柔顺性、适应性和灵活性,近年来引起了研究人员的广泛关注。这类机械臂灵感来... 详细信息

随着技术的发展,机器人已经广泛的应用到越来越多的领域。作为机器人的一个重要分支,机械臂在人类生产生活中扮演了重要的角色。其中,连续体机械臂因其自身的柔顺性、适应性和灵活性,近年来引起了研究人员的广泛关注。这类机械臂灵感来源于像蛇、象鼻和章鱼触手等大自然生物软体组织。该类生物组织没有特定的骨架结构,但却有灵活的运动能力和惊人的操作能力,可以在非结构环境中操作,自主适应目标的形状和尺寸,具有广阔的研究前景。本研究开发了一种基于细径Mc Kibben型气动人工肌肉的多关节连续机械臂,具有质量轻、柔顺性好、鲁棒性强等特点。首先,针对现有气动肌肉存在的诸多尺寸限制和柔顺问题,制作了一种直径为2.0 mm的Mc Kibben气动执行器,并通过试验测试了该肌肉的收缩力、收缩率等机械特性。以章鱼触手等软体生物生理结构为原理,设计了新型连续体机械臂构型。整机长度372 mm,由5个厚度为5 mm的法兰和2个双层模块法兰组成,其中双层模块可将连接的关节一体化。法兰盘采用3D打印技术制作,结合Mc Kibben执行器和弹簧组装了样机。该样机本体质量小于0.35 kg,远轻于同尺寸的传统刚性机械臂。其次,基于运动学基础理论,采用D-H法和几何分析法建立了机械臂的运动学模型,构建了肌肉气压与机械臂末端位置的数学映射关系,并根据机械臂参数仿真分析了其运动空间和姿态。在此基础上,求解了连续体机械臂的逆运动学方程,即可由软体机械臂末端位置在笛卡尔空间的坐标值求解气动人工肌肉在驱动空间的气压值。根据Mckibben型气动人工肌肉Schulte模型建立了机械臂的刚度模型。在此基础上,基于准静力学分析和机械振动二阶动力系统构建了表示机械臂气动肌肉拮抗关节柔顺性的数学模型,确定了机械臂刚度与柔顺性的映射关系,通过控制机械臂拮抗气压实现对机械臂柔顺性的精准操控。最后,搭建了试验平台,并对机械臂性能和模型有效性进行了试验验证。试验结果表明,本研究开发的机械臂能实现伸缩、弯曲、扭转等复杂的三维运动,运动模型最大误差小于7 mm。柔顺性碰撞冲击试验结果表明,连续体机械臂具有良好的柔顺性和鲁棒性。机械臂被击打后,能够依靠自身柔顺性避免由外部冲击造成损伤,并在冲击撤去后恢复到原来的位置,最大恢复误差5.08 mm。在此基础上,通过机械臂的应用案例证明该机械臂在工业应用、医疗、军事探测、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景。

关键词： McKibben型细径气动人工肌肉连续体机械臂柔顺性鲁棒性

面向医护机器人的绳驱动并联型连续体机械臂设计

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面向医护机器人的绳驱动并联型连续体机械臂设计

作者：宁传新苏州大学

学位级别：硕士

在医护领域,机械臂被广泛应用于老年人和残疾护理。与传统机械臂相比,连续体机械臂具有转动惯量小、灵巧度高等优点。然而,业已研究的连续体机械臂往往存在负载能力弱、驱动系统的体积和重量大等问题。本文针对复杂多变的医护环境中的... 详细信息

在医护领域,机械臂被广泛应用于老年人和残疾护理。与传统机械臂相比,连续体机械臂具有转动惯量小、灵巧度高等优点。然而,业已研究的连续体机械臂往往存在负载能力弱、驱动系统的体积和重量大等问题。本文针对复杂多变的医护环境中的作业需求,提出了新型绳驱动并联型连续体机械臂设计思想,设计了基于球形关节并联机构的绳驱动并联型连续体机械臂以及基于差分机构驱动的绳驱动系统,研究了绳驱动并联型连续体机械臂的运动学和静力学建模并进行了仿真分析,搭建了绳驱动并联型连续体机械臂实验样机和控制系统,对运动学模型和静力学模型进行了实验验证。首先,针对复杂多变的医护环境中的作业需求,提出了新型绳驱动并联型连续体机械臂设计思想,设计了基于球形关节并联机构的绳驱动并联型连续体机械臂。对绳驱动并联型连续体机械臂的球形关节并联机构和驱动模块差分机构进行了结构设计以及绳驱动并联型连续体机械臂实验样机搭建。根据绳驱动并联型连续体机械臂的设计指标,以球形关节并联机构作为基本驱动单元设计并联型连续体机械臂并进行自由度计算,使连续体机器臂拥有较高的负载能力。对驱动模块差分机构进行结构设计与传动比计算,降低了绳驱动并联型连续体机械臂驱动系统的体积和重量,从而降低了机械臂运动时的惯性力矩。然后,借助软件ANSYS Workbench对绳驱动并联型连续体机械臂整体和球形关节并联机构在不同状态下的抵抗变形的能力进行了仿真与分析。最后确定了绳驱动的整体布线方式,对球形关节并联机构以及机械臂的其他零件部分进行了选型和加工,完成了绳驱动并联型连续体机械臂的实验样机的搭建。其次,对绳驱动并联型连续体机械臂的正/逆运动学和静力学进行理论分析并进行了仿真分析。首先,对球形关节并联机构进行运动学反解,建立并联机构的逆运动学方程和空间位姿变换矩阵,分析了绳长变化量与驱动角的关系,从而得到了驱动绳绳长变化量与并联机构末端位姿之间的关系。然后,对绳驱动并联型连续体机械臂整体进行正逆运动学建模和分析,得出驱动绳绳长变化量与机械臂任意关节末端位姿的关系。借助MATLAB软件对绳驱动并联型连续体机械臂的工作空间和球形关节并联机构的运动角度进行了仿真和验证。接着,分析了绳驱动并联型连续体机械臂在水平状态下末端施加负载时整体的受力状况,根据球形关节并联机构的设计,对各个部件进行了静力学分析,建立了并联机构的静力学平衡方程。最后针对绳驱动并联型连续体机械臂中驱动绳进行受力分析,获得了外力作用与驱动绳拉力的对应关系。最后,为了验证绳驱动并联型连续体机械臂的静力学与运动学的正确性,搭建绳驱动并联型连续体机械臂试验样机的简易控制系统,对机构设计、运动学和静力学进行了实验验证。首先,搭建了球形关节并联机构的控制系统实现驱动电机的控制及传感器数据的接收处理。然后,测试了球形关节并联机构与机械臂在不同位姿状态下的负载能力,验证了静力学求解方法的正确性。最后,实验验证了球形关节并联机构的驱动绳绳长变化量与位姿变化关系的正确性,测试了绳驱动并联型连续体机械臂的运动空间并分析了与理论之间的差异,验证了绳驱动并联型连续体机械臂运动学模型的正确性。

关键词：连续体机械臂并联机构绳驱动运动学分析静力学分析

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气驱绳控的变刚度连续体机械臂的设计与研究

气驱绳控的变刚度连续体机械臂的设计与研究

作者：齐树鹏燕山大学

学位级别：硕士

连续体机器人因其灵活、安全可靠等特点近年来受到了广泛关注,在不同领域也发挥了重要作用,但在面向大承载任务需求时,连续体机器人的抗变形能力比较差。因此本文提出了一种气驱绳控的变刚度连续体机器人,开展了连续体机器人结构设计、... 详细信息

连续体机器人因其灵活、安全可靠等特点近年来受到了广泛关注,在不同领域也发挥了重要作用,但在面向大承载任务需求时,连续体机器人的抗变形能力比较差。因此本文提出了一种气驱绳控的变刚度连续体机器人,开展了连续体机器人结构设计、运动学分析、静力学刚度分析、运动控制策略研究、气囊制作工艺分析、样机搭建及相关实验研究。针对提升连续体机器人大承载时抵抗变形能力的需求,提出绳驱和气驱共同驱动的变刚度连续体机器人,设计两种柔性弯曲结构,并且优选弹簧虎克铰结构,以实现机械臂的灵活运弯曲运动,设计多层连接的气囊结构并进行优化,绳驱控制机械臂的位置精度,气驱则提高机械臂的刚度性能,并且实现机械臂在不同状态下的变刚度。根据机械臂的整体结构特点进行运动学和静力学建模分析,在运动学建模方面,建立“驱动绳索”、“关节转角”和“末端姿态”三者之间的关系,求解三者之间的映射关系和逆映射关系,并通过MATLAB软件对机械臂的工作空间进行仿真分析。在静力学建模方面,建立静力学方程并提出采用空间向量的方法对其进行分析,得到不同安装状态下机械臂的变刚度理论分析。明确整个机械臂的控制策略,提出改变气囊压力来保持绳索拉力稳定的控制方式,进行相关控制系统硬件的分析选型以及软件的编程设计。对多层连接的气囊制作工艺进行分析优选,并制作出高耐压的支撑气囊,通过实验测试分析“气囊变形位移”、“负载力”和“气囊气压”三者之间的关系。搭建出实验所需整体样机,对机械臂在不同安装状态下的刚度性能进行分析,研究机械臂姿态角度变化和绳长变化之间的关系以及气囊气压变化和绳索拉力变化之间的关系,验证连续体机械臂的运动学理论和控制方式的合理性与正确性。本文通过对气驱绳控的变刚度连续体机器人的深入研究,能够实现机械臂在面向大承载任务时增强刚度来提升抵抗变形的能力,在运动时降低刚度保证机械臂的灵活运动,此外在气囊气压的作用下,一定程度上减缓了驱动绳索拉力。

关键词：连续体机械臂气驱绳控运动学分析变刚度气囊承载