气动柔性驱动器FPA的特性及其在多指灵巧手设计中的应用研究

论文摘要

末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。除了传统的刚性驱动和执行机构以外，气动人工肌肉PMA作为一种新型的驱动器，以其结构简单、功率／重量比大等优点得到众多学者的关注，相继研制出气动肌肉关节、仿人手臂等。但是PMA还需要其他辅助机构才能构成关节和手臂，使用中增加了体积、重量，也给结构设计和控制带来不便。本课题组研究的新型气动柔性驱动器FPA，既是驱动器也是执行器，可以直接构成各种关节。本文在以往研究的基础上，进一步深入研究了FPA及各种关节的特性，研制了气动柔性三指手爪、提出了气动柔性多指灵巧手的设计思路，为FPA及柔性关节的研究和应用奠定基础。 本文首先对气动柔性驱动器FPA的静态模型和基本特性进行了深入的研究。分析了FPA平均半径和橡胶管壁厚的变化情况及其对FPA特性的影响，根据建立的静态模型，分析了FPA的恒输出力特性、恒压特性和恒长特性，并且分析了FPA在外力作用下的压杆稳定性问题；基于气动系统动力学建立FPA充放气过程的动态模型，并分析了各种参数对动态过程的影响；对FPA的模型和基本特性进行了实验研究。 在气动柔性驱动器FPA的橡胶管壁内嵌入约束钢丝，得到气动柔性弯曲关节，该关节可以实现平面内的弯曲运动。重点分析建立弯曲关节的数学模型，静态模型是基于对弯曲关节端截面的力平衡和力矩平衡分析得到，并进行了实验验证；分析了关节壁厚、长度、半径等结构参数对弯曲角度的影响；弯曲关节的动态模型与FPA类似，其动态模型仿真结果表明动态过程的时间相对很短，可以忽略不计。 气动柔性扭转关节是FPA的另一个应用，扭转关节主要由两个弧

论文目录

• 浙江工业大学学位论文原创性声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景
• 1.3 气动柔性驱动器研究现状及分析
• 1.3.1 McKibben型PMA
• 1.3.2 三自由度FMA
• 1.3.3 旋转型气动柔性驱动器
• 1.3.4 柔性流体驱动器
• 1.3.5 新型气动柔性驱动器FPA
• 1.3.6 各种气动柔性驱动器的比较分析
• 1.4 多指灵巧手研究现状及分析
• 1.4.1 刚性多指灵巧手研究现状
• 1.4.2 柔性多指灵巧手研究与分析
• 1.5 本课题主要研究内容及意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 气动柔性驱动器FPA及其特性分析
• 2.1 气动柔性驱动器FPA结构原理
• 2.1.1 气动柔性驱动器FPA的结构
• 2.1.2 气动柔性驱动器FPA的特点
• 2.2 FPA的制作
• 2.2.1 橡胶材料选择
• 2.2.2 橡胶管制作工艺
• 2.2.3 FPA制成
• 2.3 FPA的静态模型
• 2.3.1 FPA平均半径变化分析
• 2.3.2 FPA橡胶管壁厚变化分析
• 2.3.3 FPA橡胶管的弹性模量
• 2.3.4 FPA的静态模型
• 2.4 FPA的特性分析
• 2.4.1 恒输出力特性
• 2.4.2 恒压特性
• 2.4.3 恒长特性
• 2.4.4 FPA压杆稳定性问题分析
• 2.5 FPA的动态模型研究
• 2.5.1 FPA充气过程动态方程
• 2.5.2 FPA放气过程动态方程
• 2.5.3 FPA动态仿真分析
• 2.6 FPA的特性实验
• 2.6.1 FPA特性实验平台
• 2.6.2 实验结果及分析
• 2.7 小结
• 第三章 基于FPA的气动柔性弯曲关节
• 3.1 气动柔性弯曲关节结构原理
• 3.2 气动柔性弯曲关节静态模型
• 3.2.1 平均半径变化分析
• 3.2.2 壁厚变化分析
• 3.2.3 弯曲关节静态模型
• 3.3 气动柔性弯曲关节静态特性分析
• 3.3.1 内腔压力的影响
• 3.3.2 橡胶管壁厚的影响
• 3.3.3 橡胶管长度的影响
• 3.3.4 橡胶管半径的影响
• 3.4 气动柔性弯曲关节动态模型
• 3.4.1 弯曲关节充气过程动态方程
• 3.4.2 弯曲关节放气过程动态方程
• 3.4.3 弯曲关节动态仿真分析
• 3.5 气动柔性弯曲关节实验研究
• 3.6 小结
• 第四章 基于FPA的气动柔性扭转关节
• 4.1 气动柔性扭转关节结构原理
• 4.2 气动柔性扭转关节静态模型
• 4.2.1 扭转关节FPA壁厚分析
• 4.2.2 扭转关节静态模型
• 4.2.3 扭转关节转角分析
• 4.3 气动柔性扭转关节动态模型
• 4.3.1 基本动力学方程
• 4.3.2 关节FPA的充放气模型
• 4.4 扭转关节动态特性仿真分析
• 4.4.1 橡胶管初始壁厚对动态特性的影响
• 4.4.2 橡胶管平均半径对动态特性的影响
• 4.4.3 FPA初始角度对动态特性的影响
• 4.4.4 管接头出口面积对动态特性的影响
• 4.4.5 转盘转动惯量对动态特性的影响
• 4.4.6 粘性阻尼系数对动态特性的影响
• 4.5 气动柔性扭转关节控制实验
• 4.5.1 实验原理
• 4.5.2 静态特性实验
• 4.5.3 开环阶跃响应
• 4.5.4 PID控制
• 4.6 小结
• 第五章 基于FPA的气动柔性三指手爪
• 5.1 气动柔性三指手爪结构设计
• 5.2 气动柔性三指手爪的数学模型
• 5.2.1 爪指结构的数学模型
• 5.2.2 腕部结构的数学模型
• 5.2.3 爪指指端运动学方程
• 5.3 抓持模式分析
• 5.3.1 夹持模型
• 5.3.2 抓握模型
• 5.4 三指手爪实验研究
• 5.5 小结
• 第六章 基于FPA的气动柔性多指灵巧手的设计
• 6.1 三自由度手指
• 6.2 五自由度手指
• 6.3 气动柔性多指灵巧手结构设计
• 6.4 气动柔性多指灵巧手的特点
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 后续研究工作的方向及思路
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间参加科研项目与发表的学术论文目录