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连续体并联抓取机器人的结构设计与研究

添加时间:2020/07/21 来源:北京交通大学 作者:林华杰
新型机器人同时兼具井联机器人和连缕体机器人的优点,对于拓展并联机器人和连续体机器人的新构型和应用领域有着重要的研究意义。本文基于此构思,提出一种能够实现抓取作业任务的连续体并联机器人,对其展开设计及相关研究。
以下为本篇论文正文:

摘要

  井联机器人因其自身工作空间小等结构缺点,目前许多被提出的构型仍无法转化成实际工程应用,而连续体机器人的柔顺性和灵活性是其独具优势的特点,因此近年来综合二者的特点所提出的连续体并联机器人逐渐成为研究热点。该新型机器人同时兼具井联机器人和连缕体机器人的优点,对于拓展并联机器人和连续体机器人的新构型和应用领域有着重要的研究意义。本文基于此构思,提出一种能够实现抓取作业任务的连续体并联机器人,对其展开设计及相关研究。

  首先,设计了连续体并联抓取机器人的结构。该机器人的支链为3组并联形式的连续体机构,末端抓取装置为连杆机构式抓手:通过弹性杆对动平台和末端抓取装置进行驱动控制,使其具有3自由度运动姿态和对柱状物体的抓取性能。

  利用SolidWorks对该机器人进行三维建模,得到虚拟样机模型。通过等效的D-H法建立了连续体并联抓取机器人的运动学模型,计算其正、逆解及雅克比矩阵,得到了解析表达式,并在MATLAB中分析得到其工作空间。

  其次,通过ADAMS软件对虚拟样机进行运动仿真。介绍了ADAMS建立柔性体的方法,创建了具有弯曲大变形特征的弹性杆;通过虚拟运动仿真得到了机器人的运动姿态和输出曲线,验证了结构设计的正确性和可行性。通过ANSYSWorkbench软件对虛拟样机进行静力结构分析,验证了其结构强度的安全性,并通过模态分析,得到前6阶模态振型和频率。

  最后,利用3D打印和金属加工的方式对零件进行加工,通过装配零件、搭建驱动和控制系统,形成一台 物理样机:对样机进行了抓取操作实验,结果表明机器人能够实现3自由度运动和协同抓取操作:对样机进行特殊变形运动状态下,动平台在二维平面中的位置标定实验,将实际测量位置坐标与理论计算进行对比,从而验证运动学理论分析的正确性;实验结果表明理论计算与实际测量结果之间存在误差,在行程最大处,误差率达最大,此时误差率为2.91%,误差距离在厘米级:需要在后缕研究中对样机的定位系统进行优化,更准确地测量后再对运动学计算式进行修正。

  关键词:连续体并联机器人:结构设计:运动学分析: ADAMS仿真: ANSYSWorkbench仿真:样机

连续体并联抓取机器人
 

ABSTRACT

  Parallel robots have many structural shortcomings such as small working space. As  a result, a lot of configurations of parallel robots cannot be transformed into practical  engineering pplcaions. The compliance and dexterity of continuurm robots are their  unique characteristics. In recent years, the novel continwum parallel manipulators which  combine the characteristics and the advantages of both parallel robots and continwum  robots have gradually become a research hotspot. It is of great significance to expand  the new confguration and application fields of parallel robots and continwurm robots.  Inspired by this idea, this paper proposes a novel continuum parallel grasping  manipulator, and the research contents are as follows.

  Firstly, the structure of the continuum parallel grasping manipulator is designed.  The legs of the manipulator are three sets of continuum mechanism in parallel fom, and  the grasping device on the moving pafrm is a linkage mechanism grasper. The elastie  rod is used to drive the moving platform and the grasping device, s0 that the  manipulator has 3-DOF motion posture and grasping perfommance of the cylindrical  objects. SolidWorks is used to build the virtual prototype model. Kinematics model of  the manipulator is established by the equivalent D-H method, and then the forward and  inverse kinematics and the Jacobian matrix are solved with analytical expressions. In  addition, the workspace is analyzed in MATLAB.

  Secondly, the motion simulation of virtual prototype is earried out by ADAMS.

  The method of establishing flexible body by ADAMS is introduced and the elastic rod  with large bending deformation characteristics is built. The motion posture and output  curve of the manipulator are obtained, which venifies the correctness and feasibility of  its structural design. In ANSYS Workbench, the static structure of the virtual prototype  is analyzed, and the safety of its structural strength is verified. Through the modal  analysis, the first 6 modes and their frequency are obtained.

  Finally, the parts of manipulator are produced by 3D printing and metal pocessing  By assembling parts, building the drive and control system, a physical prototype is  created. The experiment of grasping operation taken on the prototype shows that the  manipulator can achieve 3-DOF motion and cooperative grasping operation. The  position calibration experiment of the moving platform in the two-dimensional plane  under special deformation motion state is carried out, and the actual measurement  position coordinates are compared with the theoretical calculation 1o verify the correctness of the kinematic theoretical analysis, the experimental results show that  there is an error between the theoretical calculation and the actual measurement results.  At the naximum stroke, the error rate is the largest, which is 291%. and the error  distance is in the centimeter level. The positioning system of the prototype needs to be  optimized in the subsequent study, and then the kinematics fomwla can be crrected  afiter more accurate measurement.

  KEYWORDS: Continwum Parallel Manipulator; Structural design; Kinematics analysis,ADAMS simulation; ANSYS Workbench simulation; Prototype

目录

  1绪论

  1.1 选题背景及意义

  工业机器人是面向工业领域的、具有多轴的、自动的、可控的、可编程的机械装置,是涉及了包含机械工程、计算机科学、电子控制工程等学科,以及集成传感技术、检测技术、人工智能等先进技术的自动化装备".过去十几年来,中国的制造业在劳动力成本方面每年增长将近12%凹,这意味着我国的制造业正在告别廉价型劳力的优势时代:工业机器人的引入不仅可以代替人类进行重复式、枯燥式的工作,大大提高生产效率,还可以完成人类无法胜任的某些特殊工种,进入恶劣的环境进行危险的工作。

  近年来,美国、德国、日本等大量的国家都致力于突破机器人技术,将其列入国家科技发展的重点行业,并制定出-系列发展规划和战略。2013 年,德国政府宜布了"工业4.0"计划,宣布将投资总计2亿的欧元支持该计划,意在提升德国制造工业的现代化和智能化水平。2015年,我国国务院也印发《中国制造2025》,作为中国发展和实施制造强国战略的首个十年行动纲领,旨在提高制造业的数字化水平、网络化水平和智能化水平:这份纲领将机器人作为多个主要发展领域中的其中一个,并将其摆在较高的战略地位,希望我国能攻克如机器人本体关键零部件的设计,系统集成设计等相关技术的瓶颈难题凹1.

  于是,人们开始将关注点聚焦于工业机器人,逐渐重视起工业机器人在提高生产效率、减少人工成本、降低危险系数、保证产品质量等方面所呈现的巨大作用。工业机器入在机械加工、汽车生产、航空航天、抓取搬运等领域中的应用比重得到了显著提升。

  对目标物体实施抓取操作是工业机器人执行频率最高的动作之一,该操作也是机器人进行分拣、码垛、搬运和装配任务的支撑技术困。机器人的抓取操作要求其在较短时间内将物体实现在两个位置间的移动,在特定的任务下还需要同时进行对目标物体整体姿态的调整。因此抓取机器人在促进生产效率、节约人工成本、优化管理效率、保障人员安全性等方面具有很大的发展空间。

  最早将工业机器人应用在对物体的抓取和搬运方面的工作是在20世纪70年代末9,日本首次将机器人技术应用在抓取作业。以日本、美国和德国为首的多个国家在抓取机器人的研究领域上都取得一定程度的进展。 在我国,工业机器人的研究和应用最早始于1970年代,然而受到当时我国经济体制的制約等诸多因素的影响,发展一直较为缓慢,研究能力和应用水平都相对滞后。在20世纪80年代之后。我国才首次将工业用机器人应用于抓取作业,截至目前抓取作业领域的机器人依然拥有巨大的发展前景。

  传统的工业机器人,一般是由机座、腰部(或肩部)、大臂、小臂、腕部和手部构成,大臂小臂以申联方式联接,故称其为申联机器人网。因起步较早发展逐漸成熟,目前在工业中应用于抓取作业的大部分都是串联机器人,但由于其存在串联形式的悬臂构件,使得其灵活性、运动精度以及承载性能都在一定程度 上受到限制。第二次世界大战结束后开始逐渐被学者广泛研究的空间并联机构型机器人可以规避串联机器人存在的一些结构性弊端。井联机构,一般是指动平台和定平台通过两个以上的支链组成的具有两个或两个以上自由度的一一种封闭结构,在刚性机器人领域与串联机器人互补,极大地扩展了机器人的应用范围。并联机器人虽然相较于串联机器人发展起步较晚,但由于其具有刚度较大、累积误差少、承载性能好、运动速度快、精度高等优点,还是很快被应用于工业机器人的各个领城。但并联机构自身也存在一些结构 上的不足,如工作空间比较小的问题使其在诸如抓取作业等领域无法达到串联机构在工业上的广泛应用程度。目前应用在工业生产线上实现抓取作业的并联机构以Delta机构1和其衍生构型为主,其他很多并联机构尚未从技术研究层面转化为实际工程应用。并联机器人的支链与支链、支链与定平台、支链与动平台之间的运动干涉影响了动平台的平移和转动,致使其工作空间范围较小,且动平台转动运动范图有限。因此,改善并联机构的工作空间较小的问题对于扩大并联机构在工业抓取任务领域上的应用前景有重要的意义。

  近年来兴起了一种井联连续体机器人的研究,在并联机构的基础上引入连续体机器人的结构特点,突破传统并联机构的刚性结构,以具有连缕变形特征的运动支链取代刚性支链和刚性运动关节,使井联机器人在保持原有承载能力强、刚度大等优势的同时,兼具连续体机器人的工作空间大、运动灵活。高柔顺性、多自由度、人机交互安全等特点,在一定程度上能够改善井联机构和连续体机构自身的结构缺陷,极大地拓宽了井联机器人和连续体机器人各自的研究分支领域,具有重要的研究价值。受此新兴发展方向的启发,本文将设计和研制- - 种综合并联机器人和连续体机器人优点的连续体并联抓取机器人,为拓宽并联机器人在抓取作业领城的应用提供一定的研究价值。

  1.2并联机器人研究现状

  1.2.1井联机构简介

  井联机构的起源可以追溯到20世纪30年代。1931年,wintt!l提出了一种基于球面并联机构设计的娱乐装置,并申请专利。1940年,Pllardl在一项专利中申请了一款空间井联机构,用于轿车的喷漆作业。1962 年,Gough可发明了一-种基于6自由度并联机构的用于飞机轮胎的检测装置。1965 年,Sewa!I第一 次对Gough提出的机构做了机构学方面的理论研究,并将它推广为飞行运动模拟产生装置,用于飞行员的专业训练。该机构被称为Stewart平台或Gough-Stewart机构,如图1-1 所示,目前已成为并联机构的代表性构型,在各领城广泛被应用。1978年,著名机构学专家Hun(!2l在其研究中将Stewart平台应用于工业机器人,提出- -种6自由度的基于并联机构的机器人,这是并联机构首次应用于工业机器人,标志着井联机器人的诞生,从此针对并联机器人的研究拉开了序幕。Stewart 井联机构的成功应用,引起了国外乃至国内众多学者的关注,包括加拿大的学者Gosselinl3l, 美国的学者Tsai 4以及中国的学者黄真等均发表了相关研究著作,对。

  并联机构理论展开系统的理论研究。随着研究的深入,许多井联机构新构型被研制出来,并在实际工程中投入应用。

  井联机器人在发展之初被认为是串联机器人的新继任者I5,然而由于在结构和性能上的对偶关系,学者们逐渐发现,二者在应用上应该是优势互补的关系而非互相替代。与串联机构对比,并联机构具有如下优点:

  (1)刚度高并联机构一般拥有多支链且形成空间闭环桁架的结构形式,整体紧凑,在承受负载时各构件的变形较小,相较于串联机器人的悬臂支链形式,并联机构整体的刚度更高。

  (2)承载能力强串联机构在评价其承载性能时需要累计各个悬臂构件的自身重力,所以越靠近末端的构件承受的负载也会越大;并联机构在评价承载性能时,由所有支链相互叠加,因此机构承载能力有所提高[16].

  (3)精度高并联机构的运动支链-般相对较短,不存在串联机构中各个悬臂构件线性叠加的累积误差,使得动平台的运动定位精度更高。

  虽然并联机构存在以上诸多的优点,但并联机构也有其自身的不足,例如运动位姿存在较强的耦合性,机构存在奇异性,工作空间小,驱动的运动控制比较复杂,结构设计困难等。

  1.2.2并联机构的应用领域

  在过去40多年中,许多研究者提出了不同形式的并联机构,使其在装配生产线、航空航天领域、并联机床、微动操作器、力与力矩传感器以及高速物料处理等领域获得了广泛应用7.

  (1)运动模拟器机构学的著名学者Stewart 在1965年首次把6自由度的Gough-Stewart并联机构作为飞行员训练的飞行模拟器,从此开创并联机构在该领域应用的先河。目前,国际上约有超过百家企业在生产制造基于并联机构的各种运动模拟器,主要包括大型客机的飞行模拟系统(如图1-2所示为由我国研制的C919大型客机飞行模拟器)、汽车运行模拟系统以及轮船运动模拟系统等。随着生活水平的不断提高,人们在娱乐方面的身体感官体验要求也越来越强。为此,工程师们利用并联机构又开发出许多模拟多姿态运动的动感娱乐装置,如图1-3所示。

  (2)并联机床并联机构在工业上的代表性应用是作为数控加工中心的机身结构,这种加工装备又称为并联机床(Parallel Kinematic Machine, PKM) 或虚拟轴机床,是机器人技术与数控加工技术结合的产物。并联机床被认为是"21世纪的机床",一经提出就引起人们的广泛关注,并联机床的出现是机械加工设备在结构方面的颇具重大意义的一-场变革。1994 年,在美国芝加哥举办的IMTS'94国际机床展览会上, .

  美国Giddings & Lewis公司首次展出了-种VARIAX型并联机床,在行业内引起了不小的轰动。这是一台以Stewart平台为结构基础的5坐标立式数控加工中心,其内部结构如图1-4所示,它的出现标志着机床开始利用并联机构进行设计,是机床结构重大改革的里程碑。随后欧洲一些工业发达国家和日本等也开始投入该方面的研制,竞相推出不同类型的并联机床,如瑞典NeosRobotics公司发明的Tricept-IV型并联机床:德国Mikromat公司推出的立式加工中心6X Hexa;瑞士联邦技术学院研制出的并联机床HexaGlide:日本Toyoda公司生产的6支链机床HexaM等。我国第- - 台并联机床于1997年问世,是由清华大学和天津大学合作研制的6自由度并联机床,也称为VAMTIY型虚拟轴机床原型样机],如图1-5所示。

  (3)微型操作机器人随着工业上的突破,面向医学工程领域、生物工程领域和微加工领域等的微型操作机器人也不断获得国内外的研究学者的关注,取得极快的发展速度,已被应用的有用于生物细胞的分割、注射,微型机电制品的加工、装配,还有细徹外科手术等

  (4)其他应用在精密准确定位方面,并联机器人较多地被应用为误差补偿机构、辅助医疗手术器械、三坐标式的测量仪器、喷气式矢量启动机构、大型武器的发射平台、空间站对接装置甚至基于井联机构的灵巧手等19.201.

  因为并联机构在构型上都是闭环支链结构,使其工作空间与同尺寸的串联机构相比要缩小得多,在较大程度上限制了并联机构在各个领域的应用。因此,关于工作空间较大的并联机构的研究是并联机构领域的重要研究方向之--.目前,关于大工作空间并联机构的研究方向主要有:

  (1) 设计新的具有大工作空间的并联机构构型:

  (2) 针对已有的构型进行结构优化,扩大其有效工作空间。大工作空间的并联机构同时具备并联机构和大工作空间的特点,将在更多领域发挥重要作用。

  1.3连续体机器人研究现状

  1.3.1连续体机器人简介

  随着仿生技术的发展,机器人研究领域出现-类新型的仿生机器人:连续体机器人。与采用离散关节和刚性杆件结构的离散型机器人不同,连续体机器人采用与象鼻、章鱼触手等生物器官相似的柔性结构,不再具备任何离散关节和刚性连杆则。一般来说,连续体机器人不具有传统意义上的旋转关节,其形状由机器人自身的连续变形的平面或空间曲线表征2.这种新型的仿生机器人具有优良的弯曲性能,能够根据障碍物和环境情况而灵活且柔顺地改变自身的形状,对狭小的和复杂的非结构化环境有较强的适应性。

  连续体机器人主要的优点叫)有: (1) 空间弯曲运动灵活: (2) 机器人整体尺寸可以达到很微小的状态,能够在狭小的管道类形状空间内运动: (3) 对存在复杂多障碍物的不规则环境的适应性较强; (4) 除了可以在末端安装执行器外,整个机器人本体也可以完成抓取动作。

  连续型机器人主要的缺点有: (1) 存在多自由度,驱动控制比较困难; (2)运动定位精度不高: (3) 由于普遍存在细长的结构,受其限制,负载能力较低。

  目前被广泛研究的连缕体机器人的驱动方法主要包括:肌腱驱动(Tendondriven),也可称为线/绳驱动;气动肌肉驱动( Pneumatic drive);形状记忆合金驱动(Shape memory aloy);流体弹性驱动(Fluidic elastomer actuator)等。

  1.3.2国内外研究现状

  早期对连续体机器人的研究可以回溯至20世纪60年代末期24,当时主要以蛇形机器人为主,这类超冗余自由度机器人采用紧密的串联排列形式的关节模拟蛇的脊柱结构,但其负载能力低、位置精度差,以及运动学、动力学等理论研究基础较为薄弱等因素限制了连续体机器人的进-一步 发展。

  21世纪初期,连缕体机器人取得了巨大的发展,其中,以Wallker为核心的团队开展了大量的基础研究工作,建立了连续体机器人相关的理论研究体系[251.该团队研制出了多种形式的连续体机器人: Hannah 和Walker等人2)在2001年研制出了一种超冗余自由度的象鼻型机器人,如图1-6所示。该机器人由共计16个U型关节串联组成,被分为互不等长的4部分,每部分包含4个U型关节;每个U .

  型关节具有2个自由度,由绳索与弹簧组合,实现混合控制。Walker 和Gravagne等人(37.28在2002年研制出了一种平面形式的连续体机器人,如图1-7所示,该机器人整体由4段结构串联组成,每段结构都具有2个自由度。驱动方式采用线驱动,可灵活变形弯曲,抓取一定形状和质量的被操作物体。

  在2005年,Walker 和McMahan等人29研制出了名为"Air-OCTOR"的连续体机器人,如图1-8所示。该机器人采用气动结构作为自身的支撑,在驱动方式上,利用3根绳索和气动结构的内部气压控制其运动,能够完成弯曲及伸长等姿态变化。Wallker 和Jones等人13032)2006年研制出了一款名为"OCTARM"的模仿章鱼触手外形的连续体机器人,如图1-9所示。该机器人采用气动人工肌肉作为其驱动器,整体长度可分为4段,每段由3-6个气动人工肌肉进行驱动以实现3个自由度的弯曲姿态,总共具有12个自由度。OCTARM连续体机器人能够对复杂形状的物体实现抓取,并具有较好的导航与避障性能,适合在复杂环境中进行作业。期间,其他学者和研究机构也提出了各种各样的连续体机器人。大约在2002-2005年,来自英国的OC机器人公司3I是首个成功把连续体机器人转为商业化的机构,其研发出的连续体机器人通过电机带动绳索的方式对末端进行远程驱动,体名段结构可以进行弯曲,如图1-10所示。


  2003年, Peirs 等人叫提出了- -种内窥镜机器人,如图1-11所示,可用于外科手术。该机器人由超弹性NiIT合金管构成,利用4根肌腱进行驱动,具有2个自由度,在任意方向的弯曲角可达到90度。

  2007年,Choi 等人P5]提出了一种基于弹簧骨架的连续体型内窥镜机器人,如图1-12所示。该机器人由3根肌腱进行驱动,具有3个自由度,可完成伸缩运动和三维空间内任意方向上的弯曲运动。

  2014年, Rone和Ben-Tzvi36I针对新型的多段型杆驱动连续体机器人提出了一种力学建模方法,并对两段式的杆驱动连续体机器人样机进行了验证,如图1-13.

  该方法通过高保真的集中参数模型,同时由一组离散变量描述机器人杆体在线曲率变化方面的规律,并利用虚功原理将机器人的静力学和动力学描述为-组静态模型的代数方程组和一-组耦合的实时常微分方程。

  2014年,Xu和Siman!37提出一种采用了超弹性的NiTi骨架和驱动冗余的连续体机器人,如图1-14所示,其利用螺旋理论对连续体机器人的力传感能力进行了理论分析和实验验证,该理论基于末端执行器的配置空间和扭曲空间之间的雅可比映射,求解奇异值分解,再分析外部接触力。

  2015年,Giorelli 等人8研制了一种仿章鱼柔性机械臂,如图1-15所示,其具有锥形的软体结构,具有像真正的章鱼手臂- -样 在物体周围旋转的能力。该机。

  械臂通过电机牵引,使绳索收缩进而带动柔性机械臂产生变形弯曲,通过多组驱动电机的耦合作用可以使机械臂朝着任意方向弯曲。

  2016年,Qi等[9]提出了一种新型连续体机械手,由多层柔性平面弹簧串联,如图1-16所示。机器人采用可变形双层平面弹簧构成关节,在非轴向力的作用下可产生弯曲变形,在轴向力的作用下则产生轴向伸缩变形,拥有3个自由度:机器人通过3个驱动绳索驱动,最大的弯曲角度为160°国内对于连续体机器人的研究开始得晚,目前对该方向进行研究的机构和学者较少140.2010 年,来自哈尔滨工业大学的孙立宁、胡海燕等人21.414]提出了一种线驱动的连续体机器人,如图1-17所示,并进行了运动学方面的分析及仿真。

  在2013年,他们在己有的基础上,改进设计出了一个由多关节段的连续体型结构组成的结肠镜机器人,如图1-18所示。该机器人由5段在尺寸上完全相同的单关节段结构串联组成,可以应用在针对结肠前段和中段的疾病检查。

  2012年,李强、谢红等人[43]提出了一种连续体机器人,并设计了样机,其由驱动NiTI合金丝、中心支撑NiTi合金丝、以及基盘、支撑圆盘和尾盘组成,示意图如图1-19所示。2013年,刘阳辉等人4]提出了连续体腹腔镜机器人,如图1-20所示。该机器人由超弹性NiTi合金丝做成的主骨架、次骨架和铝合金做成的转动圆盘、固定圆盘组成,总共具有5自由度。

  2019年,康荣杰等4提出了一种混合驱动的连续型机器人,如图1-21 所示,该机器人的驱动器为混合型,在气动肌肉的基础上内置NiT合金材料弹性杆,通过模式切换机构,可以使驱动器在气压驱动与弹性杆驱动两种模式之间切换,实。

  现较大范围的运动和微小范围的精确定位,在运动过程中刚度相应发生改变。

  1.4 连续体并联机器人研究现状

  2008年,Zhu等([4在- -项专利申请中提出了用于纳米、微距运动的具有多自由度的,由6个柔性支链连接动平台和定平台的柔性并联机器人,如图1-22所示。

  与具有挠性运动副的柔顺并联机构不同,该机构的连杆是用弹性材料做成,并与动平台固定连接,通过大幅度的弯曲变形使动平台运动。该机构被认为是并联连续体机器人的最早构想,但该学者并未针对该机构的建模、分析、设计和控制方面展开研究。

  2014年,美国田纳西大学的Bryson团队47-511在研究中首次提出并联连续体机器人的概念(Parallel continuum manipulator),并在传统刚性Stewart 平台的基础上进行创新,设计- -种丝驱动的并联连续体机器人,如图1-23所示。该机构将Stewart的6个刚性支链替换成弹性丝,通过移动副驱动6个弹性丝,使丝产生变形弯曲,从而使动平台达到和Stewart并联机构一样具有空间6自由度的运动特性。

  2015年,Orekhov 等lS2, 53)将并联连续体机器人的概念应用在医学领域,提出了适用于内窥镜手术的微型并联连续体机器人,如图1-24所示,其直径仅12mm,具有6自由度运动形式,构型上延续Bryson等人提出的并联连续体机器人设计构思,在末端执行器上装有绳牵引的2自由度的夹持装置,可实现绳索远程驱动。

  rg 1-24 raruel comonuun sugca T00ol wiul Tope uc10n Per"2017年,Orekhov和Aloi等154]提出-种具有被动弹簧骨架型的并联连续体机器人,如图1-25所示,在弹簧上分布着对弹性杆支链具有约柬作用的中间圆盘,使弹性杆在弯曲时不产生大的发散变形,使机器人具有6个自由度。

  2017年, Altuzarra等15]提出了一种2自由度的平面连续体并联机器人如图1-26所示,该机器人由2个弹性杆连接1个末端运动点,在直线驱动器的驱动下弹性杆产生变形,从而推动末端运动点运动。这是首个以"连续体并联机器人"命名的新机构,其本质仍是综合了并联机构与连续体机构的特点而提出的构型。

  2017年,我国的上海交通大学Wu等156, 57]提出一种模拟FESTO公司的仿生象鼻机械手的并联连续体机器人,如图1-27所示:为了增强刚度,结构设计上采用由宽到窄的圆锥形式,由6根直径为5mm的玻璃纤维杆并联组成,其中3个为主驱动杆,通过电机带动滚珠丝杠进行驱动,其他杆为被动杆以提高整体刚度,机器人整体关于中心轴线对称。

  在商业应用上,德国FESTO公司也提出仿生三角运动装置第三代产品58],如图1-28所示,该机器人通过4个弹性连杆连接动平台与定平台,并在动平台装有仿鱼鳍的自适应抓手结构,实现柔性抓取任务。

  综上,连续体并联机器人和井联连续体机器人虽然命名有所区别,但本质上相同,二者均为同时兼具并联机构的较大刚度特性和连续体机构的柔顺性的优点的新型机器人,对于其展开的研究虽然起步较晚,但也很快成为研究热点。连续体并联机器人在结构上不同于传统的刚性关节并联机器人,更多地使用弹性连杆支链,甚至完全不使用刚性关节,从而使机构拥有连续弯曲的大形状变形,运动范围较大且灵活。连续体并联机器人与具有柔顺关节的机器人的最大不同在于,他们在结构上具有大的、非线性的连杆挠度变形,并且这种弯曲变形沿着整个杆件分布,而不是集中于某个特定的点的微小变形。连续体并联机器人相较于长串联形式的连续体机器人具有更高的负载能力,而对比刚性并联机器人,则有更大的柔顺性:和工作空间。连续体并联机器人能够适应复杂不规则的空间环境,连续体支链的设计也使整体易于小型化,使其在需要人机交互的工作环境下表现出更高的柔顺性和安全性,也可应用于微创手术等领域,因此具有较广阔的研究前景。

  1.5 研究内容

  并联机器人因其自身工作空间小等结构缺点,目前许多构型无法转化成实际工程应用,连续体机器人的柔顺性和灵活性是其独具优势的特点,综合二者的特点所提出的连续体并联机器人则能同时兼具其优点,对于拓展并联机器人和连续体机器人的新构型和应用领域有着重要的研究意义。本文基于此构思,针对一种能够实现抓取作业任务的连续体并联机器人进行设计及研究,文章组织架构如下:

  第一章阐述了本课题的选题背景和研究意义,简要介绍了并联机器人的发展起源和应用现状,连续体机器人在构型方面的发展及研究现状,以及连续体并联机器人的研究发展脉絡及现状。

  第二章综合了并联机构和连续体机构的特点,提出3种利用连续体机构作为支链的并联机器人构型方案,经过分析比较选取其中-种连杆式弹性杆驱动的连续体井联机器人作为研究对象,利用SolidWorks 对其展开三维结构设计,得到了虚拟样机模型。

  第三章针对提出的机构进行了构型简化,建立运动学模型,运用等效D-H法计算求解其运动学正解和逆解,对雅克比矩阵进行分析求解,利用MATLAB得到其工作空间。

  第四章主要对虛拟样机模型展开验证和分析。利用ADAMS对模型进行运动仿真模拟分析,验证虚拟样机结构设计的正确性及合理性,求解关键构件的运动学曲线,为控制策略提供依据。利用ANSYS Workbench对模型首先进行静力结构分析,验证其结构强度及安全性;其次进行模态分析,获得其前6阶的模态振型及類率,为样机的制作与实验奠定基础。

  第五章通过3D打印和金属加工等方式对样机的各个结构零件进行加工制造,搭建控制系统,装配完成物理原型样机;对样机展开操作实验及运动学验证实验,验证样机的正确性和可行性。

  第六章对本文的研究内容进行了总结,并针对所存在问题提出未来研究方向的展望。

  2连续体井联抓取机器人的设计
  2.1构型方案设计
  2.1.1线驱动连续体并联机构
  2.1.2弹性杆驱动连续体并联机构
  2.2虛拟样机结构设计
  2.3本章小结

  3运动学及性能分析
  3.1运动学分析
  3.1.1运动学建模概述
  3.1.2虚拟关节空间-操作空间的映射
  3.13操作空间-虚拟关节空间的映射
  3.1.4虚拟关节空间-驱动空间的映射
  3.1.5驱动空间-虚拟关节空间的映射
  3.1.6雅克比矩阵分析
  3.2工作空间分析
  3.3本章小结

  4虚拟样机仿真验证分析
  4.1运动仿真模报
  4.1.1 ADAMS介绍
  4.1.2数据接口转换和模型导入
  4.1.3 定义材料属性及设置
  4.1.4添加约東与驱动
  4.1.5建立柔性体构件
  4.1.6运动仿真
  4.1.7仿真结果及后处理

  4.2有限元分析
  4.2.1 ANSYS Workbench简介
  4.2.3模态分析
  4.3本章小结

  5物理样机制作与实验
  5.1样机硬件设计与制作
  5.1.1零件制造方案
  5.1.2 弹性杆材料选用及其紧固方式
  5.1.3驱动模组及控制系统
  5.2样机操作实验
  5.4本章小结

6总结与展望

  6.1本文工作总结

  为了扩展并联机器人在抓取作业领域的应用,本文设计一种利用连续体机构作为支链的并联机器人,其末端具有抓取装置,能够实现远程操控。全文的研究工作总结如下:

  (1)在对连续体并联机器人的研究进展的调研基础上,基于采用连续体结构作为并联机器人的运动支链以及动平台末端具有抓取装置的设计构思,提出了3种构型方案,分别是绳驱动连续体并联机构、剪刀式和连杆式的弹性杆驱动连续体并联机构,对其进行优缺点的分析比较,综合设计和后续研究的可行性,选取连杆式的弹性杆驱动连续体并联机构作为研究对象。利用SolidWorks 对其展开详细的结构设计,得到了连续体并联抓取机器人的虚拟样机模型(2)针对提出的构型,进行了结构化简,运用等效的D-H法建立运动学模型,提出驱动空间-虚拟关节空间-操作空间的映射关系以表示其正、逆运动学,并求解得到相应的解析表达式和表示速度映射关系的雅克比矩阵;利用MATLAB对得到的正运动学表达式进行分析,得到其工作空间的示意图,结果表明其工作空间较大,为球状的包络空间。

  (3)利用数据接口转换将虛拟样机的三维模型导入ADAMS中,对各个零件赋:予材料参数和相应的约束关系,创建柔性体构件作为弹性杆,再添加驱动后使其进行运动模拟,仿真得到- -组能够表现其3自由度运动姿态和抓取操作的示意图,验证了虛拟样机结构设计的合理性和可行性;通过建立抓取装置上的标记点的运动曲线表征抓取装置在运动过程中的协同操作状态;输出动平台中心的XIY/Z轴的运动曲线,为后续控制策略提供依据。

  (4)利用数据接口转换将虛拟样机的三维模型导入ANASYS Workbench中,对模型整机进行静力结构分析,得到了空载状态下的总变形位移云图和等效应力云图,结果表明受到等效应力最大的部件为模组支撑板,最大值为0.75705MPa,小于模组支撑板所用铝合金的屈服强度280MPa,结构强度不存在问题,证明结构尺寸设计合理;对模型整机进行模态分析,得到其前六阶振动频率和振型,其振型描述合理,为物理样机实验中规避共振提供理论指导。

  (5)在理论分析和虚拟仿真的基础上,通过3D打印成型和机械加工,对零件进行制造装配,搭建驱动模组和控制系统,形成物理样机;利用样机进行了抓取作业的操作实验,实验表明在合理协同的控制驱动下,机器人具有大工作空间的运动范围和对柱形物体的有效抓取操作性能,表明物理样机的运动操作性能与虚拟样机运动仿真效果一致, 验证了结构设计的合理性和可行性;利用样机进行了运动学验证实验,实验结果表明理论计算与实际存在误差,在行程最大处,误差率达最大,此时误差率2.91%,误差在厘米级,需要后续工作中在样机中进一步引入精确的定位系统,更准确地测量后再对运动学计算式进行修正。

  6.2未来研究展望

  综上,本文提出一种新型的连续体并联抓取机器人,对其进行了结构设计、理论分析、虚拟仿真,研制了物理样机并进行初步实验:由于时间限制,针对该机器人的研究尚余部分工作可继续进行,未来主要有以下研究方向:

  (1)对末端动平台上的抓取装置进一一步研究,可引入新型结构及柔性材料,保留其远程驱动的优点,优化其抓取性能和可控制性,使其更具柔顺性,提高对被操作对象的自适应性,使机器人能够满足更多的应用场最和领域。

  (2)在样机中引入传感及反馈系统,对机器人在三维空间中的形状和定位实时检测和调整,以此修正运动学的理论解析式,提高对机器人的控制精度:通过传感检测和反馈系统,实现对障碍物的自动避让功能,提高其安全性。

  (3)在控制系统方面,引入更高级的控制器和控制算法,实现对动平台和抓取装置的更高效率和精度的协同控制和实时调整。

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致谢

  时光荏苒,转眼三年研究生时光即将结束,在此我首先要特别感谢我的导师方跃法教授,方老师不仅在学术上治学严谨、一丝不苟,对我谆谆教诲,从选题、开题到完成论文给子我耐心的指导,更在我迷茫时对我进行及时的指点,使我走出困顿认清方向,得以顺利完成学业。

  感谢我的父母和姐姻,他们总在背后默默地支持着我,鼓励着我,对于我的任何决定他们都无条件地支持;无论从经济上还是精神上,父母都竭尽他们所能地给我提供帮助,使我能够没有后颐之忧地投入到科研学习中去。家人水远是我最坚强的后盾,家庭永远是我温暖的避风港,我的学业成就也有属于他们的一份功劳。

  感谢我的同窗兼好友饶舜禹同学,他不仅在学习科研中给我提供帮助,更在精神上给了我很多鼓励,在我低迷期不断宽慰我,使我有动力前进。从本科同班到研究生同实验室,甚至是实习,太多的交集重合让我们一起度过了最宝贵的大学时光,挥酒青春的汗水,收获成长的喜悦。

  在实验室的科研学习期间,郭盛老师、房海蓉老师、曲海波老师,以及黄冠字、田春旭。靳晓东,赵福群、李典、杨会、潘英、周思远、安德英、张建峰,王静、张程煜、张传亮、邹琦、王立、王林、李禄权、龚峻山、李立建、张海强、姜丙山、王向阳、汪培义、罗颖等师兄弟姐妹都曾给子过我无限的帮助和关怀,在此对他们表示最大的感谢。

  时间如白驹过隙,我在交大已度过七年,从懵懂无知到独当一面,从青涩害羞到成熟稳重,是学校和学院给我提供了优秀的平台和条件使我全方面成长,衷心感恩母校,希望母校越来越好!

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