气动机械手的研究与设计说明书

题目：气动机械手的研究与设计专题：第V页1引言和前期工作最近，机器人学界对新型“连续操纵器”的概念产生了浓厚的兴趣（Robinson和Davies，1999年）。这些"无脊椎动物"装置具有连续可变形的骨架，而传统的"脊椎动物"链接/连接/链接机器人操纵器结构则具有刚性链接。连续设计通过变形以适应环境约束和新颖的操纵模式（如全臂抓取），为增强环境互动提供了可能（Buckingham和Graham，2003年；Hirose，1993年；Ohno和Hirose，2001年；Wilson等人，1993年）。潜在的应用领域包括救灾（在复杂环境的狭小空间中部署，如在倒塌的建筑物中）、反恐（人员救援、自适应危险材料处理）和医疗（主动顺应式内窥镜）。本文介绍了一种新颖的连续机器人设计，如图1所示，其特点是采用气动加压骨架。过去曾提出过几种采用气动技术的设计（Immega和An-tonelli，1995年；Suzumori等人，1991年；Tsukagoshi等人，2001年）。然而，这种方法的新颖之处在于，它以内层/外层皮肤的概念为基础，将气动和肌腱驱动结合在一起，以达到以下目的该系统采用了一种新的运动学模型，可实现可控的伸展和弯曲。下文将介绍设计原型的实施和分析情况。图1弯曲状态下的树干。

2机械手设计2.1硬件和设计问题触手“机械手”的突出设计特点是中央软管，它经过气动预压，以提供必要的结构刚度，作为机械手具有可变刚度的柔性连续主干。软管上安装有外管。外管为中央软管提供保护，并提供一个耐用的表面，可安装用于主要驱动的腱导轨和其他硬件。这种设计的优点之一是释放了机械手中心的大量空间，而传统的机械手中心是由坚固的骨架结构构成的。中央软管内的空余空间可用于铺设电线或小软管，这些电线或小软管可能需要用来容纳附加在机械手上的任何负载。以下将进一步详细介绍这一设计。中央软管直径为7.6厘米，总长度为50厘米。铝帽为软管两端提供轻质密封，使气动加压成为可能。直径为10.1厘米的外管作为保护套小心地套在软管上。由于中央软管上的孔洞或破损会降低其作为主干的有效性，因此需要进行保护。电缆导轨粘在外管上，作为沿机械手长度方向铺设三条单独电缆的方法。然后将电缆固定在机械手末端的铝盖上。机械手的主要运动由缆索伺服系统控制。腱缆由直流电机通过滑轮系统远程驱动。如图2所示，三根缆绳以120度的配置围绕圆柱形机械手拮抗排列。缆绳只能施加拉力而不能施加推力，因此必须采用拮抗布置。其中一根钢索上的拉力会导致机械手向拉力钢索的方向弯曲。两根钢索的组合使机械手可以向任何方向弯曲。使用的电缆配置为机械手提供了两个可控自由度（弯曲）。机械手的“软结构”使第三级可控自由度成为可能。如图3和图4所示，通过适当驱动三个腱索电机，机械手可以伸缩。机械手完全缩回时的总长度约为10厘米，缩回比为5:1。通过在系统中加入电子控制的气压，这种伸缩运动得到了极大的帮助。增加这样一个部件也就增加了第四个自由度。中央软管的可变压力也可以在一定程度上控制机械手的整体顺应性。通过附加一组腱缆，可为机械手增加额外的自由度。除了顶端外，在操纵器沿线的某一点连接第二组腱缆，可增加两个可控弯曲自由度和一个额外的伸展，回缩自由度。另一种增加自由度的方法是制造第二个部分，并将其安装在原机械手的末端，这样就形成了一个双节机械手。第二节的气动管路可以穿过第一节，利用其空心的优势，电缆同样可以穿过第一节的外管。由于增加了一个气动部分，机械手又多了三个自由度，其中两个是弯曲自由度，一个是伸缩自由度。在原型机械手的制造过程中使用的许多部件都是经过精心挑选的。内部气压式软管使用直径7.6厘米的乙烯基烘干机软管。外层保护皮使用的是直径为10.1电缆中央电缆中央外图2软管的横截面示意图和图3.躯干完全伸展。厘米的雪貂管。这两个部件的内部结构主要是将塑料外皮与直径和长度适当的松散弹簧相连接。软管的这种设计使其能够有序伸缩。韧带由鱼线制成，具有相当大的拉伸强度，与电缆导轨的摩擦也很小。图5主干变量φ和k。图4后备箱完全缩回。电缆图6树干弯曲部分3机械手运动学要控制机械手的形状，需要一个将伸展和弯曲形状与致动器输入相关联的运动学模型。本节概述了一个新的运动学模型，该模型专为三肌腱、120°配置的机械手硬件量身定制。与之前的模型（Gravagne和Walker，2000年；Hannan和Walker，2003年）相比，该模型既新颖又独特，之前的模型是针对四根肌腱部分量身定制的，因此不适用于本次设计。给定设计中某一分段的三个已知电缆长度l1、l2和l3，可得出以下方程计算得出的树干曲率k。在其曲率角φ如图5所示，长度s以电缆长度为基础，d为从树干中心到电缆位置的恒定距离，n为该树干段的段数。假定三条电缆在主干周围等距分布，与主干中心的距离d为120°。此外，假定主干每段的曲率都是均匀的，因此主干的每一秒钟给出了xy平面上的旋转。弧线可模拟为不同弧度的圆弧。这可以通过使用气压或弹簧沿躯干平均分配弯曲力来实现。本文分三步讨论k、φ和s的计算。首先，给出与树干曲率相关的距离r1、r2和r3的计算公式。然后，根据这些距离计算出最大曲率k。得出了φ角上的"θ"值。最后，额外的根据k计算树干长度s的方程。在整个分析过程中，通过分析问题的一组二维切片，可以计算出所需的量子关系，从而解决树干带来的几何问题电缆1电缆1b=d30°a点点点2b=d电缆2和3连接点图7树干俯视图3.1ri的计算如图6所示，在树干的一段中考虑一个弯曲的部分。该图显示了树干周围以120°间隔分布的三条缆线，它们连接着树干一段中的两段。图中有一个平面穿过电缆1与主干的连接点，并与其他两根电缆垂直。这个平面的存在是由于主干的设计，即在主干的圆周上以固定的间隔放置三根电缆。这种设计确保了所有三条电缆相互平行。树干的曲率可以通过图7中点在平面上方的高度hc计算得出。要找到这个值，需要知道h和h、电缆2和3连接点的高度在该平面之上。虽然图6中没有显示，但还存在一个垂直于缆索2和3的第二个平面，其中包含位于主干段底部的缆索1的连接点。其范围电缆2和3的长度超过电缆1的长度，表示l1，从这两个平面测量的高度相等。电缆2和3的总长度（分别表示为l2和l3）沿n-的整个截面。因此，区段主干断面可以用h2和h3表示为和请注意，由于平面穿过树干在电缆1的连接点上，根据定义h1=0。图7显示了一个二维切片。从顶端向下俯视的后备箱从顶端向下俯视的后备箱兽皮,如图8所示、查看不同的二维切片，该切片包含图7中连接电缆1和电缆2的线段以及高度h2可以确定同样、。高度h与这两个等距所以它的高度就是它们的平均值，从而产生(3)根据假设，主干段的曲率沿段内n个区段均匀分布。因此，每个区段的曲率k沿区段保持不变。断面曲率定义为k其中是一个圆的半径，它与产生树干弯曲的圆弧相吻合。在某个未知的角度φ上，存在图9所示的情况，即一个边长为r的等腰三角形和所形成的圆弧β度角。考虑到平面A中包含圈如图7所示，在构成树干顶端的平面上，有一条三角形的腿位于该平面内。这可以看作以平面原点为点的极坐标矢量沿电缆1、2和3投影的值为这样就可以通过下一节详述的坐标变换来确定。为了计算每个，将图9中包含l和l的第二个平面B绕l从角旋转至90°，即电缆1的位置，因此现在的平面包含和。图10显示了平面B,其中包含一个较大的等腰三角形。确定和，其中定义与(1)和(2)中的和类似。将其与较小的相似三角形联系起来可得代入在(3)得出。和计算k和φ、躯干节段曲线曲率和曲率角如图5所示，将长度转换为树干弯曲的角度φ和曲线k。角度φ的情况下，考虑确定φ和r在刚刚得出的数值的坐标变换上为、、。请注意，如图所示，电缆1、2和3在树干圆周上相对于x轴的位置分别为90°、210°和-30°。将平面A中的这些半径看作一个矢量量，注意沿X轴的相对角度。每个半径所延伸的r1=r1∠90°，r2=r2∠210°,和r3=r3∠－30°利用矩阵B去转换标准正交基础，得到和h=l2-外侧1-dh=l2-外侧1-d内部图81号和2号点在平面上的高度图9弯曲树干截面的几何形状ry=-r2-r3=r1,以极坐标形式表示，和注意到，代入（5）和(6)然后化简得到hh=l3+l2-图10r的确定i=i= 图11向量r所在的单位向量、x、y°图12计算3.3树干截面长度s的计算树干的每一段都有n个部分。在每个线束段中，电缆以直线形式从一个电缆导管延伸到下一个。通过求解一个截面中的电缆长度，可以确定所有截面的电缆长度。因此，只考虑主干的一部分。因此，该部分的长度为，将树干弯曲会产生如图（9）所示的几何形状。考虑如图所示长度的虚拟电缆，连接到横截面的中心在图中，连接到树干横截面的中心，并从树干的顶部向底部移动。从(4)得出，代入(3)即可得出观察图12中图9内圆内的三角形，可以发现，得出。因而广泛应用于自动化生产线中。目前国内有不少企业已经将液压机械手应用于生产线中，如西门子、ABB等企业。由于其价格较贵，主要用于生产效率高、动作速度快的场合；而国外一些企业则将多自由度液压机械手应用于生产线中，如ABB等企业。将(7)和(9)项代入，可以得出s与ca-ble长度的关系为3.4逆运动学采用与正向运动学求解方法类似的几何方法，可以确定反向运动方程（Jones，2004年）为，本文介绍了一种独特的可变顺应性