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連續體并聯抓取機器人的結構設計與研究

添加時間:2020/07/21 來源:北京交通大學 作者:林華杰
新型機器人同時兼具井聯機器人和連縷體機器人的優點,對于拓展并聯機器人和連續體機器人的新構型和應用領域有著重要的研究意義。本文基于此構思,提出一種能夠實現抓取作業任務的連續體并聯機器人,對其展開設計及相關研究。
以下為本篇論文正文:

摘要

  井聯機器人因其自身工作空間小等結構缺點,目前許多被提出的構型仍無法轉化成實際工程應用,而連續體機器人的柔順性和靈活性是其獨具優勢的特點,因此近年來綜合二者的特點所提出的連續體并聯機器人逐漸成為研究熱點。該新型機器人同時兼具井聯機器人和連縷體機器人的優點,對于拓展并聯機器人和連續體機器人的新構型和應用領域有著重要的研究意義。本文基于此構思,提出一種能夠實現抓取作業任務的連續體并聯機器人,對其展開設計及相關研究。

  首先,設計了連續體并聯抓取機器人的結構。該機器人的支鏈為3組并聯形式的連續體機構,末端抓取裝置為連桿機構式抓手:通過彈性桿對動平臺和末端抓取裝置進行驅動控制,使其具有3自由度運動姿態和對柱狀物體的抓取性能。

  利用SolidWorks對該機器人進行三維建模,得到虛擬樣機模型。通過等效的D-H法建立了連續體并聯抓取機器人的運動學模型,計算其正、逆解及雅克比矩陣,得到了解析表達式,并在MATLAB中分析得到其工作空間。

  其次,通過ADAMS軟件對虛擬樣機進行運動仿真。介紹了ADAMS建立柔性體的方法,創建了具有彎曲大變形特征的彈性桿;通過虛擬運動仿真得到了機器人的運動姿態和輸出曲線,驗證了結構設計的正確性和可行性。通過ANSYSWorkbench軟件對虛擬樣機進行靜力結構分析,驗證了其結構強度的安全性,并通過模態分析,得到前6階模態振型和頻率。

  最后,利用3D打印和金屬加工的方式對零件進行加工,通過裝配零件、搭建驅動和控制系統,形成一臺 物理樣機:對樣機進行了抓取操作實驗,結果表明機器人能夠實現3自由度運動和協同抓取操作:對樣機進行特殊變形運動狀態下,動平臺在二維平面中的位置標定實驗,將實際測量位置坐標與理論計算進行對比,從而驗證運動學理論分析的正確性;實驗結果表明理論計算與實際測量結果之間存在誤差,在行程最大處,誤差率達最大,此時誤差率為2.91%,誤差距離在厘米級:需要在后縷研究中對樣機的定位系統進行優化,更準確地測量后再對運動學計算式進行修正。

  關鍵詞:連續體并聯機器人:結構設計:運動學分析: ADAMS仿真: ANSYSWorkbench仿真:樣機

連續體并聯抓取機器人
 

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

目錄

  1緒論

  1.1 選題背景及意義

  工業機器人是面向工業領域的、具有多軸的、自動的、可控的、可編程的機械裝置,是涉及了包含機械工程、計算機科學、電子控制工程等學科,以及集成傳感技術、檢測技術、人工智能等先進技術的自動化裝備".過去十幾年來,中國的制造業在勞動力成本方面每年增長將近12%凹,這意味著我國的制造業正在告別廉價型勞力的優勢時代:工業機器人的引入不僅可以代替人類進行重復式、枯燥式的工作,大大提高生產效率,還可以完成人類無法勝任的某些特殊工種,進入惡劣的環境進行危險的工作。

  近年來,美國、德國、日本等大量的國家都致力于突破機器人技術,將其列入國家科技發展的重點行業,并制定出-系列發展規劃和戰略。2013 年,德國政府宜布了"工業4.0"計劃,宣布將投資總計2億的歐元支持該計劃,意在提升德國制造工業的現代化和智能化水平。2015年,我國國務院也印發《中國制造2025》,作為中國發展和實施制造強國戰略的首個十年行動綱領,旨在提高制造業的數字化水平、網絡化水平和智能化水平:這份綱領將機器人作為多個主要發展領域中的其中一個,并將其擺在較高的戰略地位,希望我國能攻克如機器人本體關鍵零部件的設計,系統集成設計等相關技術的瓶頸難題凹1.

  于是,人們開始將關注點聚焦于工業機器人,逐漸重視起工業機器人在提高生產效率、減少人工成本、降低危險系數、保證產品質量等方面所呈現的巨大作用。工業機器入在機械加工、汽車生產、航空航天、抓取搬運等領域中的應用比重得到了顯著提升。

  對目標物體實施抓取操作是工業機器人執行頻率最高的動作之一,該操作也是機器人進行分揀、碼垛、搬運和裝配任務的支撐技術困。機器人的抓取操作要求其在較短時間內將物體實現在兩個位置間的移動,在特定的任務下還需要同時進行對目標物體整體姿態的調整。因此抓取機器人在促進生產效率、節約人工成本、優化管理效率、保障人員安全性等方面具有很大的發展空間。

  最早將工業機器人應用在對物體的抓取和搬運方面的工作是在20世紀70年代末9,日本首次將機器人技術應用在抓取作業。以日本、美國和德國為首的多個國家在抓取機器人的研究領域上都取得一定程度的進展。 在我國,工業機器人的研究和應用最早始于1970年代,然而受到當時我國經濟體制的制約等諸多因素的影響,發展一直較為緩慢,研究能力和應用水平都相對滯后。在20世紀80年代之后。我國才首次將工業用機器人應用于抓取作業,截至目前抓取作業領域的機器人依然擁有巨大的發展前景。

  傳統的工業機器人,一般是由機座、腰部(或肩部)、大臂、小臂、腕部和手部構成,大臂小臂以申聯方式聯接,故稱其為申聯機器人網。因起步較早發展逐漸成熟,目前在工業中應用于抓取作業的大部分都是串聯機器人,但由于其存在串聯形式的懸臂構件,使得其靈活性、運動精度以及承載性能都在一定程度 上受到限制。第二次世界大戰結束后開始逐漸被學者廣泛研究的空間并聯機構型機器人可以規避串聯機器人存在的一些結構性弊端。井聯機構,一般是指動平臺和定平臺通過兩個以上的支鏈組成的具有兩個或兩個以上自由度的一一種封閉結構,在剛性機器人領域與串聯機器人互補,極大地擴展了機器人的應用范圍。并聯機器人雖然相較于串聯機器人發展起步較晚,但由于其具有剛度較大、累積誤差少、承載性能好、運動速度快、精度高等優點,還是很快被應用于工業機器人的各個領城。但并聯機構自身也存在一些結構 上的不足,如工作空間比較小的問題使其在諸如抓取作業等領域無法達到串聯機構在工業上的廣泛應用程度。目前應用在工業生產線上實現抓取作業的并聯機構以Delta機構1和其衍生構型為主,其他很多并聯機構尚未從技術研究層面轉化為實際工程應用。并聯機器人的支鏈與支鏈、支鏈與定平臺、支鏈與動平臺之間的運動干涉影響了動平臺的平移和轉動,致使其工作空間范圍較小,且動平臺轉動運動范圖有限。因此,改善并聯機構的工作空間較小的問題對于擴大并聯機構在工業抓取任務領域上的應用前景有重要的意義。

  近年來興起了一種井聯連續體機器人的研究,在并聯機構的基礎上引入連續體機器人的結構特點,突破傳統并聯機構的剛性結構,以具有連縷變形特征的運動支鏈取代剛性支鏈和剛性運動關節,使井聯機器人在保持原有承載能力強、剛度大等優勢的同時,兼具連續體機器人的工作空間大、運動靈活。高柔順性、多自由度、人機交互安全等特點,在一定程度上能夠改善井聯機構和連續體機構自身的結構缺陷,極大地拓寬了井聯機器人和連續體機器人各自的研究分支領域,具有重要的研究價值。受此新興發展方向的啟發,本文將設計和研制- - 種綜合并聯機器人和連續體機器人優點的連續體并聯抓取機器人,為拓寬并聯機器人在抓取作業領城的應用提供一定的研究價值。

  1.2并聯機器人研究現狀

  1.2.1井聯機構簡介

  井聯機構的起源可以追溯到20世紀30年代。1931年,wintt!l提出了一種基于球面并聯機構設計的娛樂裝置,并申請專利。1940年,Pllardl在一項專利中申請了一款空間井聯機構,用于轎車的噴漆作業。1962 年,Gough可發明了一-種基于6自由度并聯機構的用于飛機輪胎的檢測裝置。1965 年,Sewa!I第一 次對Gough提出的機構做了機構學方面的理論研究,并將它推廣為飛行運動模擬產生裝置,用于飛行員的專業訓練。該機構被稱為Stewart平臺或Gough-Stewart機構,如圖1-1 所示,目前已成為并聯機構的代表性構型,在各領城廣泛被應用。1978年,著名機構學專家Hun(!2l在其研究中將Stewart平臺應用于工業機器人,提出- -種6自由度的基于并聯機構的機器人,這是并聯機構首次應用于工業機器人,標志著井聯機器人的誕生,從此針對并聯機器人的研究拉開了序幕。Stewart 井聯機構的成功應用,引起了國外乃至國內眾多學者的關注,包括加拿大的學者Gosselinl3l, 美國的學者Tsai 4以及中國的學者黃真等均發表了相關研究著作,對。

  并聯機構理論展開系統的理論研究。隨著研究的深入,許多井聯機構新構型被研制出來,并在實際工程中投入應用。

  井聯機器人在發展之初被認為是串聯機器人的新繼任者I5,然而由于在結構和性能上的對偶關系,學者們逐漸發現,二者在應用上應該是優勢互補的關系而非互相替代。與串聯機構對比,并聯機構具有如下優點:

 。1)剛度高并聯機構一般擁有多支鏈且形成空間閉環桁架的結構形式,整體緊湊,在承受負載時各構件的變形較小,相較于串聯機器人的懸臂支鏈形式,并聯機構整體的剛度更高。

 。2)承載能力強串聯機構在評價其承載性能時需要累計各個懸臂構件的自身重力,所以越靠近末端的構件承受的負載也會越大;并聯機構在評價承載性能時,由所有支鏈相互疊加,因此機構承載能力有所提高[16].

 。3)精度高并聯機構的運動支鏈-般相對較短,不存在串聯機構中各個懸臂構件線性疊加的累積誤差,使得動平臺的運動定位精度更高。

  雖然并聯機構存在以上諸多的優點,但并聯機構也有其自身的不足,例如運動位姿存在較強的耦合性,機構存在奇異性,工作空間小,驅動的運動控制比較復雜,結構設計困難等。

  1.2.2并聯機構的應用領域

  在過去40多年中,許多研究者提出了不同形式的并聯機構,使其在裝配生產線、航空航天領域、并聯機床、微動操作器、力與力矩傳感器以及高速物料處理等領域獲得了廣泛應用7.

 。1)運動模擬器機構學的著名學者Stewart 在1965年首次把6自由度的Gough-Stewart并聯機構作為飛行員訓練的飛行模擬器,從此開創并聯機構在該領域應用的先河。目前,國際上約有超過百家企業在生產制造基于并聯機構的各種運動模擬器,主要包括大型客機的飛行模擬系統(如圖1-2所示為由我國研制的C919大型客機飛行模擬器)、汽車運行模擬系統以及輪船運動模擬系統等。隨著生活水平的不斷提高,人們在娛樂方面的身體感官體驗要求也越來越強。為此,工程師們利用并聯機構又開發出許多模擬多姿態運動的動感娛樂裝置,如圖1-3所示。

 。2)并聯機床并聯機構在工業上的代表性應用是作為數控加工中心的機身結構,這種加工裝備又稱為并聯機床(Parallel Kinematic Machine, PKM) 或虛擬軸機床,是機器人技術與數控加工技術結合的產物。并聯機床被認為是"21世紀的機床",一經提出就引起人們的廣泛關注,并聯機床的出現是機械加工設備在結構方面的頗具重大意義的一-場變革。1994 年,在美國芝加哥舉辦的IMTS'94國際機床展覽會上, .

  美國Giddings & Lewis公司首次展出了-種VARIAX型并聯機床,在行業內引起了不小的轟動。這是一臺以Stewart平臺為結構基礎的5坐標立式數控加工中心,其內部結構如圖1-4所示,它的出現標志著機床開始利用并聯機構進行設計,是機床結構重大改革的里程碑。隨后歐洲一些工業發達國家和日本等也開始投入該方面的研制,競相推出不同類型的并聯機床,如瑞典NeosRobotics公司發明的Tricept-IV型并聯機床:德國Mikromat公司推出的立式加工中心6X Hexa;瑞士聯邦技術學院研制出的并聯機床HexaGlide:日本Toyoda公司生產的6支鏈機床HexaM等。我國第- - 臺并聯機床于1997年問世,是由清華大學和天津大學合作研制的6自由度并聯機床,也稱為VAMTIY型虛擬軸機床原型樣機],如圖1-5所示。

 。3)微型操作機器人隨著工業上的突破,面向醫學工程領域、生物工程領域和微加工領域等的微型操作機器人也不斷獲得國內外的研究學者的關注,取得極快的發展速度,已被應用的有用于生物細胞的分割、注射,微型機電制品的加工、裝配,還有細徹外科手術等

 。4)其他應用在精密準確定位方面,并聯機器人較多地被應用為誤差補償機構、輔助醫療手術器械、三坐標式的測量儀器、噴氣式矢量啟動機構、大型武器的發射平臺、空間站對接裝置甚至基于井聯機構的靈巧手等19.201.

  因為并聯機構在構型上都是閉環支鏈結構,使其工作空間與同尺寸的串聯機構相比要縮小得多,在較大程度上限制了并聯機構在各個領域的應用。因此,關于工作空間較大的并聯機構的研究是并聯機構領域的重要研究方向之--.目前,關于大工作空間并聯機構的研究方向主要有:

 。1) 設計新的具有大工作空間的并聯機構構型:

 。2) 針對已有的構型進行結構優化,擴大其有效工作空間。大工作空間的并聯機構同時具備并聯機構和大工作空間的特點,將在更多領域發揮重要作用。

  1.3連續體機器人研究現狀

  1.3.1連續體機器人簡介

  隨著仿生技術的發展,機器人研究領域出現-類新型的仿生機器人:連續體機器人。與采用離散關節和剛性桿件結構的離散型機器人不同,連續體機器人采用與象鼻、章魚觸手等生物器官相似的柔性結構,不再具備任何離散關節和剛性連桿則。一般來說,連續體機器人不具有傳統意義上的旋轉關節,其形狀由機器人自身的連續變形的平面或空間曲線表征2.這種新型的仿生機器人具有優良的彎曲性能,能夠根據障礙物和環境情況而靈活且柔順地改變自身的形狀,對狹小的和復雜的非結構化環境有較強的適應性。

  連續體機器人主要的優點叫)有: (1) 空間彎曲運動靈活: (2) 機器人整體尺寸可以達到很微小的狀態,能夠在狹小的管道類形狀空間內運動: (3) 對存在復雜多障礙物的不規則環境的適應性較強; (4) 除了可以在末端安裝執行器外,整個機器人本體也可以完成抓取動作。

  連續型機器人主要的缺點有: (1) 存在多自由度,驅動控制比較困難; (2)運動定位精度不高: (3) 由于普遍存在細長的結構,受其限制,負載能力較低。

  目前被廣泛研究的連縷體機器人的驅動方法主要包括:肌腱驅動(Tendondriven),也可稱為線/繩驅動;氣動肌肉驅動( Pneumatic drive);形狀記憶合金驅動(Shape memory aloy);流體彈性驅動(Fluidic elastomer actuator)等。

  1.3.2國內外研究現狀

  早期對連續體機器人的研究可以回溯至20世紀60年代末期24,當時主要以蛇形機器人為主,這類超冗余自由度機器人采用緊密的串聯排列形式的關節模擬蛇的脊柱結構,但其負載能力低、位置精度差,以及運動學、動力學等理論研究基礎較為薄弱等因素限制了連續體機器人的進-一步 發展。

  21世紀初期,連縷體機器人取得了巨大的發展,其中,以Wallker為核心的團隊開展了大量的基礎研究工作,建立了連續體機器人相關的理論研究體系[251.該團隊研制出了多種形式的連續體機器人: Hannah 和Walker等人2)在2001年研制出了一種超冗余自由度的象鼻型機器人,如圖1-6所示。該機器人由共計16個U型關節串聯組成,被分為互不等長的4部分,每部分包含4個U型關節;每個U .

  型關節具有2個自由度,由繩索與彈簧組合,實現混合控制。Walker 和Gravagne等人(37.28在2002年研制出了一種平面形式的連續體機器人,如圖1-7所示,該機器人整體由4段結構串聯組成,每段結構都具有2個自由度。驅動方式采用線驅動,可靈活變形彎曲,抓取一定形狀和質量的被操作物體。

  在2005年,Walker 和McMahan等人29研制出了名為"Air-OCTOR"的連續體機器人,如圖1-8所示。該機器人采用氣動結構作為自身的支撐,在驅動方式上,利用3根繩索和氣動結構的內部氣壓控制其運動,能夠完成彎曲及伸長等姿態變化。Wallker 和Jones等人13032)2006年研制出了一款名為"OCTARM"的模仿章魚觸手外形的連續體機器人,如圖1-9所示。該機器人采用氣動人工肌肉作為其驅動器,整體長度可分為4段,每段由3-6個氣動人工肌肉進行驅動以實現3個自由度的彎曲姿態,總共具有12個自由度。OCTARM連續體機器人能夠對復雜形狀的物體實現抓取,并具有較好的導航與避障性能,適合在復雜環境中進行作業。期間,其他學者和研究機構也提出了各種各樣的連續體機器人。大約在2002-2005年,來自英國的OC機器人公司3I是首個成功把連續體機器人轉為商業化的機構,其研發出的連續體機器人通過電機帶動繩索的方式對末端進行遠程驅動,體名段結構可以進行彎曲,如圖1-10所示。


  2003年, Peirs 等人叫提出了- -種內窺鏡機器人,如圖1-11所示,可用于外科手術。該機器人由超彈性NiIT合金管構成,利用4根肌腱進行驅動,具有2個自由度,在任意方向的彎曲角可達到90度。

  2007年,Choi 等人P5]提出了一種基于彈簧骨架的連續體型內窺鏡機器人,如圖1-12所示。該機器人由3根肌腱進行驅動,具有3個自由度,可完成伸縮運動和三維空間內任意方向上的彎曲運動。

  2014年, Rone和Ben-Tzvi36I針對新型的多段型桿驅動連續體機器人提出了一種力學建模方法,并對兩段式的桿驅動連續體機器人樣機進行了驗證,如圖1-13.

  該方法通過高保真的集中參數模型,同時由一組離散變量描述機器人桿體在線曲率變化方面的規律,并利用虛功原理將機器人的靜力學和動力學描述為-組靜態模型的代數方程組和一-組耦合的實時常微分方程。

  2014年,Xu和Siman!37提出一種采用了超彈性的NiTi骨架和驅動冗余的連續體機器人,如圖1-14所示,其利用螺旋理論對連續體機器人的力傳感能力進行了理論分析和實驗驗證,該理論基于末端執行器的配置空間和扭曲空間之間的雅可比映射,求解奇異值分解,再分析外部接觸力。

  2015年,Giorelli 等人8研制了一種仿章魚柔性機械臂,如圖1-15所示,其具有錐形的軟體結構,具有像真正的章魚手臂- -樣 在物體周圍旋轉的能力。該機。

  械臂通過電機牽引,使繩索收縮進而帶動柔性機械臂產生變形彎曲,通過多組驅動電機的耦合作用可以使機械臂朝著任意方向彎曲。

  2016年,Qi等[9]提出了一種新型連續體機械手,由多層柔性平面彈簧串聯,如圖1-16所示。機器人采用可變形雙層平面彈簧構成關節,在非軸向力的作用下可產生彎曲變形,在軸向力的作用下則產生軸向伸縮變形,擁有3個自由度:機器人通過3個驅動繩索驅動,最大的彎曲角度為160°國內對于連續體機器人的研究開始得晚,目前對該方向進行研究的機構和學者較少140.2010 年,來自哈爾濱工業大學的孫立寧、胡海燕等人21.414]提出了一種線驅動的連續體機器人,如圖1-17所示,并進行了運動學方面的分析及仿真。

  在2013年,他們在己有的基礎上,改進設計出了一個由多關節段的連續體型結構組成的結腸鏡機器人,如圖1-18所示。該機器人由5段在尺寸上完全相同的單關節段結構串聯組成,可以應用在針對結腸前段和中段的疾病檢查。

  2012年,李強、謝紅等人[43]提出了一種連續體機器人,并設計了樣機,其由驅動NiTI合金絲、中心支撐NiTi合金絲、以及基盤、支撐圓盤和尾盤組成,示意圖如圖1-19所示。2013年,劉陽輝等人4]提出了連續體腹腔鏡機器人,如圖1-20所示。該機器人由超彈性NiTi合金絲做成的主骨架、次骨架和鋁合金做成的轉動圓盤、固定圓盤組成,總共具有5自由度。

  2019年,康榮杰等4提出了一種混合驅動的連續型機器人,如圖1-21 所示,該機器人的驅動器為混合型,在氣動肌肉的基礎上內置NiT合金材料彈性桿,通過模式切換機構,可以使驅動器在氣壓驅動與彈性桿驅動兩種模式之間切換,實。

  現較大范圍的運動和微小范圍的精確定位,在運動過程中剛度相應發生改變。

  1.4 連續體并聯機器人研究現狀

  2008年,Zhu等([4在- -項專利申請中提出了用于納米、微距運動的具有多自由度的,由6個柔性支鏈連接動平臺和定平臺的柔性并聯機器人,如圖1-22所示。

  與具有撓性運動副的柔順并聯機構不同,該機構的連桿是用彈性材料做成,并與動平臺固定連接,通過大幅度的彎曲變形使動平臺運動。該機構被認為是并聯連續體機器人的最早構想,但該學者并未針對該機構的建模、分析、設計和控制方面展開研究。

  2014年,美國田納西大學的Bryson團隊47-511在研究中首次提出并聯連續體機器人的概念(Parallel continuum manipulator),并在傳統剛性Stewart 平臺的基礎上進行創新,設計- -種絲驅動的并聯連續體機器人,如圖1-23所示。該機構將Stewart的6個剛性支鏈替換成彈性絲,通過移動副驅動6個彈性絲,使絲產生變形彎曲,從而使動平臺達到和Stewart并聯機構一樣具有空間6自由度的運動特性。

  2015年,Orekhov 等lS2, 53)將并聯連續體機器人的概念應用在醫學領域,提出了適用于內窺鏡手術的微型并聯連續體機器人,如圖1-24所示,其直徑僅12mm,具有6自由度運動形式,構型上延續Bryson等人提出的并聯連續體機器人設計構思,在末端執行器上裝有繩牽引的2自由度的夾持裝置,可實現繩索遠程驅動。

  rg 1-24 raruel comonuun sugca T00ol wiul Tope uc10n Per"2017年,Orekhov和Aloi等154]提出-種具有被動彈簧骨架型的并聯連續體機器人,如圖1-25所示,在彈簧上分布著對彈性桿支鏈具有約柬作用的中間圓盤,使彈性桿在彎曲時不產生大的發散變形,使機器人具有6個自由度。

  2017年, Altuzarra等15]提出了一種2自由度的平面連續體并聯機器人如圖1-26所示,該機器人由2個彈性桿連接1個末端運動點,在直線驅動器的驅動下彈性桿產生變形,從而推動末端運動點運動。這是首個以"連續體并聯機器人"命名的新機構,其本質仍是綜合了并聯機構與連續體機構的特點而提出的構型。

  2017年,我國的上海交通大學Wu等156, 57]提出一種模擬FESTO公司的仿生象鼻機械手的并聯連續體機器人,如圖1-27所示:為了增強剛度,結構設計上采用由寬到窄的圓錐形式,由6根直徑為5mm的玻璃纖維桿并聯組成,其中3個為主驅動桿,通過電機帶動滾珠絲杠進行驅動,其他桿為被動桿以提高整體剛度,機器人整體關于中心軸線對稱。

  在商業應用上,德國FESTO公司也提出仿生三角運動裝置第三代產品58],如圖1-28所示,該機器人通過4個彈性連桿連接動平臺與定平臺,并在動平臺裝有仿魚鰭的自適應抓手結構,實現柔性抓取任務。

  綜上,連續體并聯機器人和井聯連續體機器人雖然命名有所區別,但本質上相同,二者均為同時兼具并聯機構的較大剛度特性和連續體機構的柔順性的優點的新型機器人,對于其展開的研究雖然起步較晚,但也很快成為研究熱點。連續體并聯機器人在結構上不同于傳統的剛性關節并聯機器人,更多地使用彈性連桿支鏈,甚至完全不使用剛性關節,從而使機構擁有連續彎曲的大形狀變形,運動范圍較大且靈活。連續體并聯機器人與具有柔順關節的機器人的最大不同在于,他們在結構上具有大的、非線性的連桿撓度變形,并且這種彎曲變形沿著整個桿件分布,而不是集中于某個特定的點的微小變形。連續體并聯機器人相較于長串聯形式的連續體機器人具有更高的負載能力,而對比剛性并聯機器人,則有更大的柔順性:和工作空間。連續體并聯機器人能夠適應復雜不規則的空間環境,連續體支鏈的設計也使整體易于小型化,使其在需要人機交互的工作環境下表現出更高的柔順性和安全性,也可應用于微創手術等領域,因此具有較廣闊的研究前景。

  1.5 研究內容

  并聯機器人因其自身工作空間小等結構缺點,目前許多構型無法轉化成實際工程應用,連續體機器人的柔順性和靈活性是其獨具優勢的特點,綜合二者的特點所提出的連續體并聯機器人則能同時兼具其優點,對于拓展并聯機器人和連續體機器人的新構型和應用領域有著重要的研究意義。本文基于此構思,針對一種能夠實現抓取作業任務的連續體并聯機器人進行設計及研究,文章組織架構如下:

  第一章闡述了本課題的選題背景和研究意義,簡要介紹了并聯機器人的發展起源和應用現狀,連續體機器人在構型方面的發展及研究現狀,以及連續體并聯機器人的研究發展脈絡及現狀。

  第二章綜合了并聯機構和連續體機構的特點,提出3種利用連續體機構作為支鏈的并聯機器人構型方案,經過分析比較選取其中-種連桿式彈性桿驅動的連續體井聯機器人作為研究對象,利用SolidWorks 對其展開三維結構設計,得到了虛擬樣機模型。

  第三章針對提出的機構進行了構型簡化,建立運動學模型,運用等效D-H法計算求解其運動學正解和逆解,對雅克比矩陣進行分析求解,利用MATLAB得到其工作空間。

  第四章主要對虛擬樣機模型展開驗證和分析。利用ADAMS對模型進行運動仿真模擬分析,驗證虛擬樣機結構設計的正確性及合理性,求解關鍵構件的運動學曲線,為控制策略提供依據。利用ANSYS Workbench對模型首先進行靜力結構分析,驗證其結構強度及安全性;其次進行模態分析,獲得其前6階的模態振型及類率,為樣機的制作與實驗奠定基礎。

  第五章通過3D打印和金屬加工等方式對樣機的各個結構零件進行加工制造,搭建控制系統,裝配完成物理原型樣機;對樣機展開操作實驗及運動學驗證實驗,驗證樣機的正確性和可行性。

  第六章對本文的研究內容進行了總結,并針對所存在問題提出未來研究方向的展望。

  2連續體井聯抓取機器人的設計
  2.1構型方案設計
  2.1.1線驅動連續體并聯機構
  2.1.2彈性桿驅動連續體并聯機構
  2.2虛擬樣機結構設計
  2.3本章小結

  3運動學及性能分析
  3.1運動學分析
  3.1.1運動學建模概述
  3.1.2虛擬關節空間-操作空間的映射
  3.13操作空間-虛擬關節空間的映射
  3.1.4虛擬關節空間-驅動空間的映射
  3.1.5驅動空間-虛擬關節空間的映射
  3.1.6雅克比矩陣分析
  3.2工作空間分析
  3.3本章小結

  4虛擬樣機仿真驗證分析
  4.1運動仿真模報
  4.1.1 ADAMS介紹
  4.1.2數據接口轉換和模型導入
  4.1.3 定義材料屬性及設置
  4.1.4添加約東與驅動
  4.1.5建立柔性體構件
  4.1.6運動仿真
  4.1.7仿真結果及后處理

  4.2有限元分析
  4.2.1 ANSYS Workbench簡介
  4.2.3模態分析
  4.3本章小結

  5物理樣機制作與實驗
  5.1樣機硬件設計與制作
  5.1.1零件制造方案
  5.1.2 彈性桿材料選用及其緊固方式
  5.1.3驅動模組及控制系統
  5.2樣機操作實驗
  5.4本章小結

6總結與展望

  6.1本文工作總結

  為了擴展并聯機器人在抓取作業領域的應用,本文設計一種利用連續體機構作為支鏈的并聯機器人,其末端具有抓取裝置,能夠實現遠程操控。全文的研究工作總結如下:

 。1)在對連續體并聯機器人的研究進展的調研基礎上,基于采用連續體結構作為并聯機器人的運動支鏈以及動平臺末端具有抓取裝置的設計構思,提出了3種構型方案,分別是繩驅動連續體并聯機構、剪刀式和連桿式的彈性桿驅動連續體并聯機構,對其進行優缺點的分析比較,綜合設計和后續研究的可行性,選取連桿式的彈性桿驅動連續體并聯機構作為研究對象。利用SolidWorks 對其展開詳細的結構設計,得到了連續體并聯抓取機器人的虛擬樣機模型(2)針對提出的構型,進行了結構化簡,運用等效的D-H法建立運動學模型,提出驅動空間-虛擬關節空間-操作空間的映射關系以表示其正、逆運動學,并求解得到相應的解析表達式和表示速度映射關系的雅克比矩陣;利用MATLAB對得到的正運動學表達式進行分析,得到其工作空間的示意圖,結果表明其工作空間較大,為球狀的包絡空間。

 。3)利用數據接口轉換將虛擬樣機的三維模型導入ADAMS中,對各個零件賦:予材料參數和相應的約束關系,創建柔性體構件作為彈性桿,再添加驅動后使其進行運動模擬,仿真得到- -組能夠表現其3自由度運動姿態和抓取操作的示意圖,驗證了虛擬樣機結構設計的合理性和可行性;通過建立抓取裝置上的標記點的運動曲線表征抓取裝置在運動過程中的協同操作狀態;輸出動平臺中心的XIY/Z軸的運動曲線,為后續控制策略提供依據。

 。4)利用數據接口轉換將虛擬樣機的三維模型導入ANASYS Workbench中,對模型整機進行靜力結構分析,得到了空載狀態下的總變形位移云圖和等效應力云圖,結果表明受到等效應力最大的部件為模組支撐板,最大值為0.75705MPa,小于模組支撐板所用鋁合金的屈服強度280MPa,結構強度不存在問題,證明結構尺寸設計合理;對模型整機進行模態分析,得到其前六階振動頻率和振型,其振型描述合理,為物理樣機實驗中規避共振提供理論指導。

 。5)在理論分析和虛擬仿真的基礎上,通過3D打印成型和機械加工,對零件進行制造裝配,搭建驅動模組和控制系統,形成物理樣機;利用樣機進行了抓取作業的操作實驗,實驗表明在合理協同的控制驅動下,機器人具有大工作空間的運動范圍和對柱形物體的有效抓取操作性能,表明物理樣機的運動操作性能與虛擬樣機運動仿真效果一致, 驗證了結構設計的合理性和可行性;利用樣機進行了運動學驗證實驗,實驗結果表明理論計算與實際存在誤差,在行程最大處,誤差率達最大,此時誤差率2.91%,誤差在厘米級,需要后續工作中在樣機中進一步引入精確的定位系統,更準確地測量后再對運動學計算式進行修正。

  6.2未來研究展望

  綜上,本文提出一種新型的連續體并聯抓取機器人,對其進行了結構設計、理論分析、虛擬仿真,研制了物理樣機并進行初步實驗:由于時間限制,針對該機器人的研究尚余部分工作可繼續進行,未來主要有以下研究方向:

 。1)對末端動平臺上的抓取裝置進一一步研究,可引入新型結構及柔性材料,保留其遠程驅動的優點,優化其抓取性能和可控制性,使其更具柔順性,提高對被操作對象的自適應性,使機器人能夠滿足更多的應用場最和領域。

 。2)在樣機中引入傳感及反饋系統,對機器人在三維空間中的形狀和定位實時檢測和調整,以此修正運動學的理論解析式,提高對機器人的控制精度:通過傳感檢測和反饋系統,實現對障礙物的自動避讓功能,提高其安全性。

 。3)在控制系統方面,引入更高級的控制器和控制算法,實現對動平臺和抓取裝置的更高效率和精度的協同控制和實時調整。

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致謝

  時光荏苒,轉眼三年研究生時光即將結束,在此我首先要特別感謝我的導師方躍法教授,方老師不僅在學術上治學嚴謹、一絲不茍,對我諄諄教誨,從選題、開題到完成論文給子我耐心的指導,更在我迷茫時對我進行及時的指點,使我走出困頓認清方向,得以順利完成學業。

  感謝我的父母和姐姻,他們總在背后默默地支持著我,鼓勵著我,對于我的任何決定他們都無條件地支持;無論從經濟上還是精神上,父母都竭盡他們所能地給我提供幫助,使我能夠沒有后頤之憂地投入到科研學習中去。家人水遠是我最堅強的后盾,家庭永遠是我溫暖的避風港,我的學業成就也有屬于他們的一份功勞。

  感謝我的同窗兼好友饒舜禹同學,他不僅在學習科研中給我提供幫助,更在精神上給了我很多鼓勵,在我低迷期不斷寬慰我,使我有動力前進。從本科同班到研究生同實驗室,甚至是實習,太多的交集重合讓我們一起度過了最寶貴的大學時光,揮酒青春的汗水,收獲成長的喜悅。

  在實驗室的科研學習期間,郭盛老師、房海蓉老師、曲海波老師,以及黃冠字、田春旭。靳曉東,趙福群、李典、楊會、潘英、周思遠、安德英、張建峰,王靜、張程煜、張傳亮、鄒琦、王立、王林、李祿權、龔峻山、李立建、張海強、姜丙山、王向陽、汪培義、羅穎等師兄弟姐妹都曾給子過我無限的幫助和關懷,在此對他們表示最大的感謝。

  時間如白駒過隙,我在交大已度過七年,從懵懂無知到獨當一面,從青澀害羞到成熟穩重,是學校和學院給我提供了優秀的平臺和條件使我全方面成長,衷心感恩母校,希望母校越來越好!

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