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线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真(一)

2012/9/27    来源:万方数据    作者:胡海燕  王鹏飞  孙立宁  赵勃  李满天      
关键字:连续型机器人  线驱动  仿生机器人  运动学分析  
在分析连续型机器人不同于传统离散型机器人的基础上,利用几何分析的方法提出一种简练、直观的线驱动连续型机器人运动学算法,对其单关节驱动空间、关节空间以及操作空间的映射关系进行分析,并描述其三维工作空间。针对线驱动机器人多关节之间存在耦合影响的问题,推导线驱动连续型机器人的两关节解耦运动学。同时在Matlab下对机器人末端位置和驱动线长度变化曲线进行仿真研究,并进行原理样机试验,验证了运动学算法的正确性并展示了其运动能力。

0 前言

    连续型机器人是一种新型的仿生机器人。ROBJNSON等在1999年提出将连续型机器人、离散型机器人以及蜿蜒型机器人作为机器人的3大类型。传统的离散型机器人(如串、并联机器人)均采用刚性关节和连杆结构,用于实现在自由空间内的多自由度运动,但由于其一般只具有5~7自由度,自由度数目有限,因此对工作空间受限的环境适应性不强。与离散型机器人不同,连续型机器人为“无脊椎”的柔性结构,机器人采用形状可以灵活改变的柔性支柱,而不具有任何刚性的关节和连杆。这种新型的仿生机器人具有良好的弯曲性能,可以柔顺而灵活地改变自身的形状,其优良的弯曲特性甚至可以和蛇体、象鼻子以及章鱼触角等生物器官媲美。由于连续型机器人的外形可以灵活改变,因此具有根据环境障碍物的状况而改变自身形状的能力,对工作空间受限的环境具有独特的适应能力。其应用前景广阔,可以应用于多障碍物工业环境内的作业、弯曲管道和塌陷建筑物内的侦查和搜救、核电站内部管路的维护、人体消化道疾病的诊疗等场合。

    目前,各国研究人员对连续型机器人进行了一定的研究,并取得了一些研究成果。WALKER等研制了利用绳索驱动的仿象鼻子机器人、利用绳索和气压联合驱动的连续型机器人Air-OCTOR以及利用人工肌肉驱动的连续型机器人OctArm。SIMAAN开发了一种具有柔性支架、利用绳驱动的蛇形单元,该单元直径为4.2mm,主要用于人体喉咙内部的微创手术。CHEN等研制了一种利用气压驱动的结肠镜末端连续型装置ColoBot,CHOI等也研制一种利用弹簧作为支架、利用绳索驱动的内窥镜机器人。OC Robotics公司对工业用连续型机器人进行了开发,并将其产品成功商品化。其中,JONES等利用修正的D-H方法实现对连续型机器人的运动学建模和分析,SIMAAN等采用微分方法对其连续型机器人进行了运动学分析,但这些方法的运动学模型和分析过程均比较复杂。

    本文以所研制的用于结肠镜检查的连续型机器人样机为基础,建立了线驱动连续型机器人的运动学模型,提出一种基于几何分析方法的线驱动连续型机器人运动学算法,对连续型机器人单关节的驱动空间、关节空间以及操作空间之间的映射关系进行了分析。针对线驱动机器人多关节之间存在着耦合影响的问题,分析了多关节的解耦运动学。与修正D-H方法和微分方法相比,本文所提出的基于几何分析方法的线驱动连续型机器人运动学算法具有简练、直观的特点。

1 机器人系统结构的设计与分析

    所研制的用于结肠镜检查的连续型机器人原理样机如图1所示,其直径为12mm,总长度为300mm,由两弯曲关节构成,每节各具有2自由度。其机械结构由柔性支柱、支撑圆盘和驱动线构成。柔性骨架直径为5mm,其材料为C3HSN20型弹性聚合物,起着构成机器人整体形状和提供机器人弯曲过程中所需要的“弯曲硬度”的作用。机器人每节各有10个铝质支撑圆盘,圆盘之间间隔相等的距离,均固结在支架上。在支撑圆盘直径为10mm的分度圆上均布着6个0.6mm的过孔。每3个间隔120°的过孔为一组,用于通过直径为0.4mm的超弹性NiTi合金丝驱动线。6根NiTi合金丝驱动线分为两组,第1组驱动线在通过基座圆盘和中间支撑圆盘后固结在第10个支撑圆盘上,第2组驱动线则通过所有圆盘并固结在末端圆盘上。基座圆盘到第1组驱动线所固结圆盘之间的部分为连续型机器人的第1关节,驱动线所固结的圆盘为该节的末端圆盘。第1关节的末端圆盘也为第2关节的基座圆盘,从第2关节的基座圆盘到机器人末端圆盘之间的部分为机器人的第2关节。每组驱动线分别对连续型机器人的首、末关节进行冗余驱动,实现各关节的2自由度弯曲运动。本连续型机器人所采用的结构设计方式有效地减少了机器人的体积、减轻了自重,并提高了其快速响应能力。

连续型机器人原理样机机械结构

    图1 连续型机器人原理样机机械结构

2 单关节运动学分析

    与传统的串、并联机器人等关节型机器人由刚性关节和连杆组成的结构不同,连续型机器人不具有刚性的旋转和平移关节,因此不能利用传统的D-H方法对其进行运动学分析。本文采用一种简练、直观的几何分析方法对其单关节运动学和多关节运动分别进行分析。本运动学算法的分析基于以下前提条件。

    (1)在连续型机器人弯曲过程中,机器人各关节假定为弯曲曲率相等的光滑连续曲线。

    (2)连续型机器人的支撑圆盘和支架的重量忽略不计,从而忽略重力的影响。

    (3)支撑圆盘安装得足够近,驱动线在机器人弯曲过程中假定为等曲率的曲线。

 

责任编辑:程玥
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