【摘 要】
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蛇形机械臂由于具有细长的结构、较高的灵活性和弯曲能力,在大型装备探测、深腔探索领域都具有很大的应用价值。本文研制了一款具有17个自由度的蛇形机械臂,对其进行了机构设计、运动学建模、工作空间分析,研究了相关的运动规划算法,通过仿真平台和实体样机验证了算法的正确性和机构设计的合理性,完成了相应的运动控制任务。首先,针对传统蛇形机械臂体积大、重量大、难维修等问题,提出了一种模块化、便拆卸的蛇形机械臂新机
【基金项目】
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国家重点研发计划课题:高冗余柔性机器人机理与关键技术与样机研究；
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蛇形机械臂由于具有细长的结构、较高的灵活性和弯曲能力,在大型装备探测、深腔探索领域都具有很大的应用价值。本文研制了一款具有17个自由度的蛇形机械臂,对其进行了机构设计、运动学建模、工作空间分析,研究了相关的运动规划算法,通过仿真平台和实体样机验证了算法的正确性和机构设计的合理性,完成了相应的运动控制任务。首先,针对传统蛇形机械臂体积大、重量大、难维修等问题,提出了一种模块化、便拆卸的蛇形机械臂新机构。驱动基座部分由传统的刚性连接方式设计为一种可插拔、可旋转的连接方案,连杆部分采用分体式设计,解决了布线复杂等问题。根据力矩平衡原则分析了牵引绳受力情况,对所选材料进行强度校核。创建了单关节等效模型,对关节角度与牵引绳长度的对应关系进行分析,采用齐次坐标变换法建立关节空间与操作空间运动学模型。使用一种β分布的蒙特卡洛法分析蛇形机械臂的工作空间,并得到了工作空间边界。其次,针对蛇形机械臂运动控制展开研究,搭建了蛇形机械臂仿真平台。分析了两种经典轨迹规划算法,将其应用于蛇形机械臂并进行仿真实验。针对蛇形机械臂的特殊应用场景,实现了一种末端跟踪的轨迹规划算法,并对其进行理论分析和仿真验证,证明了该方法可以控制蛇形机械臂准确的追踪空间曲线。最后,对蛇形机械臂进行样机集成,实现了基于CAN通信的25个电机协同控制。控制实体样机上完成了竖直平面内跟踪三角形、五边形、椭圆实验,完成了蛇形机械臂的三维空间轨迹跟随实验、深腔环境内运动控制实验。验证了此款蛇形机械臂设计和运动规划的合理性,证明了该蛇形机械臂具有较好的工作性能。
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