氣動機械手的研究與設計說明書

題目：氣動機械手的研究與設計專題：第V頁1引言和前期工作最近，機器人學界對新型“連續(xù)操縱器”的概念產生了濃厚的興趣（Robinson和Davies，1999年）。這些"無脊椎動物"裝置具有連續(xù)可變形的骨架，而傳統(tǒng)的"脊椎動物"鏈接/連接/鏈接機器人操縱器結構則具有剛性鏈接。連續(xù)設計通過變形以適應環(huán)境約束和新穎的操縱模式（如全臂抓?。?，為增強環(huán)境互動提供了可能（Buckingham和Graham，2003年；Hirose，1993年；Ohno和Hirose，2001年；Wilson等人，1993年）。潛在的應用領域包括救災（在復雜環(huán)境的狹小空間中部署，如在倒塌的建筑物中）、反恐（人員救援、自適應危險材料處理）和醫(yī)療（主動順應式內窺鏡）。本文介紹了一種新穎的連續(xù)機器人設計，如圖1所示，其特點是采用氣動加壓骨架。過去曾提出過幾種采用氣動技術的設計（Immega和An-tonelli，1995年；Suzumori等人，1991年；Tsukagoshi等人，2001年）。然而，這種方法的新穎之處在于，它以內層/外層皮膚的概念為基礎，將氣動和肌腱驅動結合在一起，以達到以下目的該系統(tǒng)采用了一種新的運動學模型，可實現(xiàn)可控的伸展和彎曲。下文將介紹設計原型的實施和分析情況。圖1彎曲狀態(tài)下的樹干。

2機械手設計2.1硬件和設計問題觸手“機械手”的突出設計特點是中央軟管，它經過氣動預壓，以提供必要的結構剛度，作為機械手具有可變剛度的柔性連續(xù)主干。軟管上安裝有外管。外管為中央軟管提供保護，并提供一個耐用的表面，可安裝用于主要驅動的腱導軌和其他硬件。這種設計的優(yōu)點之一是釋放了機械手中心的大量空間，而傳統(tǒng)的機械手中心是由堅固的骨架結構構成的。中央軟管內的空余空間可用于鋪設電線或小軟管，這些電線或小軟管可能需要用來容納附加在機械手上的任何負載。以下將進一步詳細介紹這一設計。中央軟管直徑為7.6厘米，總長度為50厘米。鋁帽為軟管兩端提供輕質密封，使氣動加壓成為可能。直徑為10.1厘米的外管作為保護套小心地套在軟管上。由于中央軟管上的孔洞或破損會降低其作為主干的有效性，因此需要進行保護。電纜導軌粘在外管上，作為沿機械手長度方向鋪設三條單獨電纜的方法。然后將電纜固定在機械手末端的鋁蓋上。機械手的主要運動由纜索伺服系統(tǒng)控制。腱纜由直流電機通過滑輪系統(tǒng)遠程驅動。如圖2所示，三根纜繩以120度的配置圍繞圓柱形機械手拮抗排列。纜繩只能施加拉力而不能施加推力，因此必須采用拮抗布置。其中一根鋼索上的拉力會導致機械手向拉力鋼索的方向彎曲。兩根鋼索的組合使機械手可以向任何方向彎曲。使用的電纜配置為機械手提供了兩個可控自由度（彎曲）。機械手的“軟結構”使第三級可控自由度成為可能。如圖3和圖4所示，通過適當驅動三個腱索電機，機械手可以伸縮。機械手完全縮回時的總長度約為10厘米，縮回比為5:1。通過在系統(tǒng)中加入電子控制的氣壓，這種伸縮運動得到了極大的幫助。增加這樣一個部件也就增加了第四個自由度。中央軟管的可變壓力也可以在一定程度上控制機械手的整體順應性。通過附加一組腱纜，可為機械手增加額外的自由度。除了頂端外，在操縱器沿線的某一點連接第二組腱纜，可增加兩個可控彎曲自由度和一個額外的伸展，回縮自由度。另一種增加自由度的方法是制造第二個部分，并將其安裝在原機械手的末端，這樣就形成了一個雙節(jié)機械手。第二節(jié)的氣動管路可以穿過第一節(jié)，利用其空心的優(yōu)勢，電纜同樣可以穿過第一節(jié)的外管。由于增加了一個氣動部分，機械手又多了三個自由度，其中兩個是彎曲自由度，一個是伸縮自由度。在原型機械手的制造過程中使用的許多部件都是經過精心挑選的。內部氣壓式軟管使用直徑7.6厘米的乙烯基烘干機軟管。外層保護皮使用的是直徑為10.1電纜中央電纜中央外圖2軟管的橫截面示意圖和圖3.軀干完全伸展。厘米的雪貂管。這兩個部件的內部結構主要是將塑料外皮與直徑和長度適當?shù)乃缮椈上噙B接。軟管的這種設計使其能夠有序伸縮。韌帶由魚線制成，具有相當大的拉伸強度，與電纜導軌的摩擦也很小。圖5主干變量φ和k。圖4后備箱完全縮回。電纜圖6樹干彎曲部分3機械手運動學要控制機械手的形狀，需要一個將伸展和彎曲形狀與致動器輸入相關聯(lián)的運動學模型。本節(jié)概述了一個新的運動學模型，該模型專為三肌腱、120°配置的機械手硬件量身定制。與之前的模型（Gravagne和Walker，2000年；Hannan和Walker，2003年）相比，該模型既新穎又獨特，之前的模型是針對四根肌腱部分量身定制的，因此不適用于本次設計。給定設計中某一分段的三個已知電纜長度l1、l2和l3，可得出以下方程計算得出的樹干曲率k。在其曲率角φ如圖5所示，長度s以電纜長度為基礎，d為從樹干中心到電纜位置的恒定距離，n為該樹干段的段數(shù)。假定三條電纜在主干周圍等距分布，與主干中心的距離d為120°。此外，假定主干每段的曲率都是均勻的，因此主干的每一秒鐘給出了xy平面上的旋轉?；【€可模擬為不同弧度的圓弧。這可以通過使用氣壓或彈簧沿軀干平均分配彎曲力來實現(xiàn)。本文分三步討論k、φ和s的計算。首先，給出與樹干曲率相關的距離r1、r2和r3的計算公式。然后，根據(jù)這些距離計算出最大曲率k。得出了φ角上的"θ"值。最后，額外的根據(jù)k計算樹干長度s的方程。在整個分析過程中，通過分析問題的一組二維切片，可以計算出所需的量子關系，從而解決樹干帶來的幾何問題電纜1電纜1b=d30°a點點點2b=d電纜2和3連接點圖7樹干俯視圖3.1ri的計算如圖6所示，在樹干的一段中考慮一個彎曲的部分。該圖顯示了樹干周圍以120°間隔分布的三條纜線，它們連接著樹干一段中的兩段。圖中有一個平面穿過電纜1與主干的連接點，并與其他兩根電纜垂直。這個平面的存在是由于主干的設計，即在主干的圓周上以固定的間隔放置三根電纜。這種設計確保了所有三條電纜相互平行。樹干的曲率可以通過圖7中點在平面上方的高度hc計算得出。要找到這個值，需要知道h和h、電纜2和3連接點的高度在該平面之上。雖然圖6中沒有顯示，但還存在一個垂直于纜索2和3的第二個平面，其中包含位于主干段底部的纜索1的連接點。其范圍電纜2和3的長度超過電纜1的長度，表示l1，從這兩個平面測量的高度相等。電纜2和3的總長度（分別表示為l2和l3）沿n-的整個截面。因此，區(qū)段主干斷面可以用h2和h3表示為和請注意，由于平面穿過樹干在電纜1的連接點上，根據(jù)定義h1=0。圖7顯示了一個二維切片。從頂端向下俯視的后備箱從頂端向下俯視的后備箱獸皮,如圖8所示、查看不同的二維切片，該切片包含圖7中連接電纜1和電纜2的線段以及高度h2可以確定同樣、。高度h與這兩個等距所以它的高度就是它們的平均值，從而產生(3)根據(jù)假設，主干段的曲率沿段內n個區(qū)段均勻分布。因此，每個區(qū)段的曲率k沿區(qū)段保持不變。斷面曲率定義為k其中是一個圓的半徑，它與產生樹干彎曲的圓弧相吻合。在某個未知的角度φ上，存在圖9所示的情況，即一個邊長為r的等腰三角形和所形成的圓弧β度角。考慮到平面A中包含圈如圖7所示，在構成樹干頂端的平面上，有一條三角形的腿位于該平面內。這可以看作以平面原點為點的極坐標矢量沿電纜1、2和3投影的值為這樣就可以通過下一節(jié)詳述的坐標變換來確定。為了計算每個，將圖9中包含l和l的第二個平面B繞l從角旋轉至90°，即電纜1的位置，因此現(xiàn)在的平面包含和。圖10顯示了平面B,其中包含一個較大的等腰三角形。確定和，其中定義與(1)和(2)中的和類似。將其與較小的相似三角形聯(lián)系起來可得代入在(3)得出。和計算k和φ、軀干節(jié)段曲線曲率和曲率角如圖5所示，將長度轉換為樹干彎曲的角度φ和曲線k。角度φ的情況下，考慮確定φ和r在剛剛得出的數(shù)值的坐標變換上為、、。請注意，如圖所示，電纜1、2和3在樹干圓周上相對于x軸的位置分別為90°、210°和-30°。將平面A中的這些半徑看作一個矢量量，注意沿X軸的相對角度。每個半徑所延伸的r1=r1∠90°，r2=r2∠210°,和r3=r3∠－30°利用矩陣B去轉換標準正交基礎，得到和h=l2-外側1-dh=l2-外側1-d內部圖81號和2號點在平面上的高度圖9彎曲樹干截面的幾何形狀ry=-r2-r3=r1,以極坐標形式表示，和注意到，代入（5）和(6)然后化簡得到hh=l3+l2-圖10r的確定i=i= 圖11向量r所在的單位向量、x、y°圖12計算3.3樹干截面長度s的計算樹干的每一段都有n個部分。在每個線束段中，電纜以直線形式從一個電纜導管延伸到下一個。通過求解一個截面中的電纜長度，可以確定所有截面的電纜長度。因此，只考慮主干的一部分。因此，該部分的長度為，將樹干彎曲會產生如圖（9）所示的幾何形狀?？紤]如圖所示長度的虛擬電纜，連接到橫截面的中心在圖中，連接到樹干橫截面的中心，并從樹干的頂部向底部移動。從(4)得出，代入(3)即可得出觀察圖12中圖9內圓內的三角形，可以發(fā)現(xiàn)，得出。因而廣泛應用于自動化生產線中。目前國內有不少企業(yè)已經將液壓機械手應用于生產線中，如西門子、ABB等企業(yè)。由于其價格較貴，主要用于生產效率高、動作速度快的場合；而國外一些企業(yè)則將多自由度液壓機械手應用于生產線中，如ABB等企業(yè)。將(7)和(9)項代入，可以得出s與ca-ble長度的關系為3.4逆運動學采用與正向運動學求解方法類似的幾何方法，可以確定反向運動方程（Jones，2004年）為，本文介紹了一種獨特的可變順應性