線驅(qū)動硅膠軟體機械臂建模與控制.pdf

1、隨著時代的發(fā)展，機器人漸漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ钪小５捎趧傂越Y構的限制，傳統(tǒng)的剛性機器人在非結構化環(huán)境中的表現(xiàn)難以令人滿意。在這樣的背景下，作為對剛性機器人的重要補充，軟體機器人開始出現(xiàn)在人們的視野里。軟體機器人的靈感及設計理念來源于生物界中的軟體組織，研究者期望通過對軟體組織材料、結構以及運動機理的模仿，制造出一種像哺乳動物舌頭、章魚觸手一樣具有良好靈活性與延展性的軟體機器人。與傳統(tǒng)的剛性機器人相比，軟體機器人的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在材料與結構

2、方面。軟體機器人由柔性材料制作，而且內(nèi)部不包含剛性結構，驅(qū)動機構也采用的具有良好柔性的裝置。因而軟體機器人能表現(xiàn)出良好的靈活性與安全性，從而能在非結構化的環(huán)境中自如運動。雖然軟體機器人有著傳統(tǒng)剛性機器人無法比擬的優(yōu)勢，但材料的柔性使得軟體機器人的運動機理變得復雜，這給軟體機器人動力學建模、控制器設計等理論分析帶來極大的困難，因而嚴重制約了軟體機器人的實際應用。為解決軟體機器人的上述問題，本文以線驅(qū)動硅膠軟體機械臂為研究對象，針對軟體機械

3、臂的運動學、動力學建模與控制、形狀檢測等問題展開一系列的研究，研究內(nèi)容及創(chuàng)新點概述如下：
　　本文分析了線驅(qū)動軟體機械臂的運動特點以及狹小環(huán)境對軟體機械臂運動的影響，在分段常曲率假設的基礎上，建立了線驅(qū)動軟體機械臂的運動學模型；同時，針對軟體機械臂手眼系統(tǒng)，提出了一種能在線估計受限運動學模型中未知參數(shù)的自適應控制算法，運用巴巴拉引理，證明了控制算法的穩(wěn)定性；最后，設計了受限環(huán)境下的視覺伺服對比實驗，驗證了控制算法，并分析了控制參數(shù)

4、以及環(huán)境對軟體機械臂運動的影響。隨后，結合幾何精確Cosserat梁理論，改進了基于分段常曲率假設的運動學模型，提出了新的運動學模型；在新運動學的基礎上，運用凱恩方法，建立了描述軟體機械臂三維運動的動力學方程；在動力學建模中，基于集中參數(shù)假設，分析了軟體機械臂各單元的慣性力與重力；結合粘彈性材料的開爾文模型，分析了各單元的彈性內(nèi)力；同時研究驅(qū)動線的驅(qū)動原理，分析了驅(qū)動線的驅(qū)動力；對動力學方程進行化簡與整理，將方程改寫為便于數(shù)值求解的形式

5、；最后，進行了仿真和實驗，并與商業(yè)軟件RecurDyn結果以及實驗結果對比，驗證了模型的準確性。最后分析了軟體機械臂形狀反饋在實際應用中的必要性，隨后在光纖布拉格光柵傳感器的基礎上，設計了一套分布式光纖傳感網(wǎng)絡以及相應的曲率-撓率測量算法，能將光柵測量到的應變信息換算為光柵處的曲率和撓率；結合光順曲線理論與三次 B樣條理論，提出了一種形狀檢測算法，該算法能根據(jù)測量到的曲率、撓率信息計算出軟體機械臂中心線的形狀；最后，設計了仿真驗證了算法