氣動柔性驅動器FPA的特性及其在多指靈巧手設計中的應用研究.pdf

1、末端執(zhí)行器作為機器人與外界環(huán)境互相作用的最后執(zhí)行部件一直受到研究人員的關注。除了傳統(tǒng)的剛性驅動和執(zhí)行機構以外，氣動人工肌肉PMA作為一種新型的驅動器，以其結構簡單、功率/重量比大等優(yōu)點得到眾多學者的關注，相繼研制出氣動肌肉關節(jié)、仿人手臂等。但是PMA還需要其他輔助機構才能構成關節(jié)和手臂，使用中增加了體積、重量，也給結構設計和控制帶來不便。本課題組研究的新型氣動柔性驅動器FPA，既是驅動器也是執(zhí)行器，可以直接構成各種關節(jié)。本文在以往研究的

2、基礎上，進一步深入研究了FPA及各種關節(jié)的特性，研制了氣動柔性三指手爪、提出了氣動柔性多指靈巧手的設計思路，為FPA及柔性關節(jié)的研究和應用奠定基礎。 本文首先對氣動柔性驅動器FPA的靜態(tài)模型和基本特性進行了深入的研究。分析了FPA平均半徑和橡膠管壁厚的變化情況及其對FPA特性的影響，根據建立的靜態(tài)模型，分析了FPA的恒輸出力特性、恒壓特性和恒長特性，并且分析了FPA在外力作用下的壓桿穩(wěn)定性問題；基于氣動系統(tǒng)動力學建立FPA充放氣

3、過程的動態(tài)模型，并分析了各種參數對動態(tài)過程的影響；對FPA的模型和基本特性進行了實驗研究。 在氣動柔性驅動器FPA的橡膠管壁內嵌入約束鋼絲，得到氣動柔性彎曲關節(jié)，該關節(jié)可以實現平面內的彎曲運動。重點分析建立彎曲關節(jié)的數學模型，靜態(tài)模型是基于對彎曲關節(jié)端截面的力平衡和力矩平衡分析得到，并進行了實驗驗證；分析了關節(jié)壁厚、長度、半徑等結構參數對彎曲角度的影響；彎曲關節(jié)的動態(tài)模型與FPA類似，其動態(tài)模型仿真結果表明動態(tài)過程的時間相對很短

4、，可以忽略不計。 氣動柔性扭轉關節(jié)是FPA的另一個應用，扭轉關節(jié)主要由兩個弧形的FPA構成，可以在平面內形成旋轉運動。在彎曲關節(jié)模型推導的基礎上，建立扭轉關節(jié)的靜態(tài)模型，并分析了關節(jié)結構參數對關節(jié)轉角的影響；建立了扭轉關節(jié)的動力學方程，仿真實驗表明FPA的充放氣過程與關節(jié)的動力學過程相比時間極短，在實際系統(tǒng)設計和控制過程中可以忽略不計；分析討論橡膠管壁厚、平均半徑、初始角度、氣體節(jié)流口面積、轉動慣量、粘性阻尼系數等因素對扭轉關節(jié)

5、動態(tài)特性的影響；對扭轉關節(jié)進行了開環(huán)和PID控制實驗研究。 在以上研究的基礎上，研制了氣動柔性三指手爪，該手爪以氣動柔性彎曲關節(jié)作為爪指，以扭轉關節(jié)構成腕部，可以實現抓握和轉腕動作。分析建立了三指手爪的數學模型和爪指指端的運動學方程，分析了手爪的抓持模式，建立抓取簡單形狀目標時的數學模型，并進行了實驗驗證。 在氣動柔性彎曲關節(jié)和氣動柔性球關節(jié)研究的基礎上，提出了五自由度手指的設計，由一個球關節(jié)和兩個彎曲關節(jié)串聯(lián)得到一個五