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一种新型气动机械手的设计与分析
布莱恩·琼斯、威廉·麦克马汉和伊恩·沃克
麻省理工学院(w l1l cl11aha, ial1w/({y ce.l#39; . c/em.I#39;oll. edll
文摘:本文讨论了一种无“连续”机器人的设计和分析
操纵器。该装置有两个同心的气缸，一个气动的
致动的内管和固定在外筒上的端部。远程控制弯管-
(连续)结构的变化。气压的变化会使两者都变大
并展示了对环境的适应性。设计和开发的细节
讨论了机器人的实现。此外，ic模型中的一种新型kinem，相对于提出了机器人形状与腱长度s的关系。该设计是高度可扩展的，具有广泛的潜在应用。
关键词:机器人学，机器人操作器，设计，运动学。
.近年来，机器人在新的“连续体机械手”概念中引起了人们的广泛兴趣(Robinson和Davies，19991，这些机器人具有连续变形的后背)-与传统的“脊椎动物”连杆/关节/连杆机械手的结构特征相反的是刚性连杆。连续体设计通过变形以适应环境约束和新的操作方式，如全臂抓取，提供了环境相互作用的潜力(白金汉和格雷厄姆，2003年，海罗斯，1993年；Ohno和Hirosc，2001：Wilsonet al，1993)潜在的应用领域包括救灾(部署在狭小的空间，不复杂的环境中，例如在倒塌的建筑中，反恐(人员救援，适应危险材料处理)和医学(激活植物内窥镜)本文介绍了一种新颖的连续体机器人设计，如图1所示，其特征是一种气压计，过去曾提出过几种以气肿为特征的设计(mmega和an-Tonelli，1995，Suzumori等人，1991年；然而，Tsukagoshi等人在2001年提出了一种新的方法，因为它基于内外皮肤的概念，提供了气动和肌腱驱动力量的结合。
一个光滑的连续外部环境-心理互动，并通过一个新的运动学模型，使控制伸直和弯曲。下面的章节描述了一个设计原型的实现和底层分析，
图1 .弯曲结构的躯干。
2.机械手设计的
2．1 硬件和设计提出了“触须”马尼普机的突出的设计特点是一个中央软管，这是经过精心设计，以提供必要的结构刚度作为一个灵活的连续骨干。机械手的多样性。外管安装在软管上。外管为中央软管提供保护。并提供一种耐用的表面，用于初级驱动和其他硬件CIN的筋导轨可安装在该表面上。这种设计的优点之一是它在机械手的中心腾出了大量的空间。通常是由坚实的背骨结构组成的。中间软管内的空隙为电线或小软管的布线提供了空间，这些电线或小软管可以容纳任何附加在机械手上的载荷，以下段落进一步详细说明了设计。
中心软管直径为7.6厘米，总长度为50厘米。铝帽为软管的末端提供轻量级的重量，使气动加压成为可能。在软管上仔细安装10.1厘米直径的外管，作为保护措施，需要保护，因为中央软管的孔形损坏或撕裂会降低其效率，因为主干电缆导轨粘在外管上，作为沿着机械手长度路由三根单独电缆的方法。然后在机械手末端的铝帽上锚定浮球。
机械手的主要运动是由肌腱(电缆)伺服系统控制。由dc电机通过脉冲系统远程驱动的缆索系统.三根缆索在圆柱形机械手周围以120度的形状对抗布置，如图2所示，由于电缆只能施加拉力而不能施加推力，所以需要布置拮抗装置，其中一根缆索上的拉力使机械手向可拉的方向靠拢。两根电缆的连接使得机械手可以在任何情况下弯曲.电缆配置给机械手两自由度的控制自由度(弯曲)。
机械手的“软结构”使三自由度可控自由度成为可能，通过三根索电机的适当驱动，机械手可以进行收缩和伸展，如图3和图4所示，完全收缩时机械手的总长度约为10厘米，这使机械手的收缩比达5：1。通过在系统中增加一个电控制的气动压力，这种延伸/收缩运动得到了很大的帮助。这种组件的加入还导致了第四自由度的增加“中央软管的可变加压也允许对主泵的整体依从性进行控制。”
附加的腐烂可以添加到主脉冲器，附加一组附加的肌腱终止第二组肌腱在某个点沿机械手，除了在尖端。支持一个运动的两度可控弯曲自由度和一个额外的扩展/收缩自由度。另一种增加自由度的方法是建立第二套装置。将它安装在原来的操控器的末端，实质上创建了一个两段机械手第二部分的气动线路可以通过第一段，利用它的空心中心。电缆在第一段的外部HOSC中也同样被斥责。附加的波纹剖面给主动力器增加了三个自由度，两个是由于弯曲，另一个是由于拉伸和收缩。
在原型机械手的结构中，选择了许多部件，因为它们对内压式机械臂具有广泛的可用性。
图2。软管和的横截面示意图
肌腱连接。
图3。躯干完全展开。
图4。躯干完全收缩。
图5 :主干变量～和k。变量
~
给出了xv平面上的旋转。
外用软管使用直径7.6cm的乙烯基烘干机软管，外护皮用10.1cm直径的套管。这两个部件的基本结构是将非塑性皮肤附着在一个直径和长度适当的卷绕弹簧上。这种软管的设计允许有序地伸展和收缩肌腱，这种设计是由钓丝制成的，它提供了可考虑的拉杆强度和最小数量的导缆
3。机械手的运动学
控制机械手的形状需要一个Ki-向列相模型，从形状的延伸和弯曲到执行器的输入。这一节概述了一个新的运动模型，为一个三腱，120°配置机械手硬件量身定做。与以往的模型相比，该模型既新颖又新颖(Gravicne和Walker，2000、Hannan和Walker，20031)，这些模型都是针对四肌腱截面而量身定制的，因此不适用于本文中的设计。
三根已知电缆长度l1,l2,l3的设计，下面的方程式允许累积产生的躯干曲率Ko在它的温度角，如图5所示。它的长度根据电缆的长度和D.从主干中心到电缆位置的恒定距离。在N上。在这个主干部分，三根电缆的线段数假定为10分之一，等距在躯干周围。相隔120°离树干中心有一段距离。另外，假定树干各部分的曲率是均匀的。所以躯干截面可以模拟成变半径圆弧，这可以通过使用气压弹簧沿树干均匀分配弯曲力来实现。本文讨论了Kg，ф的计算。分三步进行。首先，给出了确定终点距离r的方程.r，1与躯干的曲率成反比。然后，从这些距离出发，导出了角为ф的最大似然曲率k。最后，加法方程从整个分析过程中计算出树干长度s，通过对问题的一组二维切片的分析，得到了求解树干提出的几何问题的问题，该问题允许计算所需的四项参数，
3.1计算r
考虑图6所示的中继插画的一段弯曲段。这个数字显示了三个弹珠。在树干周围间隔120间隔，在树干的一段中连接两个节段。这个图形包括一个平面，它通过电缆I连接到主干的点，并垂直于另外两根电缆。这个平面的存在是由于躯干的设计，它将三根电缆固定地放置在躯干的圆周位置上。这个设计确保了这三个电缆彼此平行。
躯干的曲率可以从平面上的h，图7中c点的高度来计算。要找到这个值，需要了解h2，h3，以及平面上2和3电缆连接点的高度。虽然没有如图6所示，但存在垂直于电缆2和3的秒平面，其中包括主干段底部的电缆1的连接点。电缆2和3超过l的长度，表示1的范围在这两个平面测量的高度之间是相等的。电缆2和3的总长度，表示l2和l3，沿着n段干线段的整个区段，因此可以表示h1和h2的间隔，如h2=(l2-l1)/2n和h3=(l3-l1)/2n注意到，由于平面通过桁架，电缆的连接点1，h1=0，通过定义。检查图7，它显示了
图6 :躯干的弯曲部分
图7 :躯干的俯视图
图8 :平面上方点1和点2的高度
图9 :弯曲躯干截面的几何形状
如图8所示，如图8所示，俯视其顶部段a=2d/和b=d/2.
看到不同的二维切片，其中包含连接1和2电缆的线缆图7和高度h，允许确定h2，类似地h2ml=(l2-l1)/3n或者h3ml=(l3-l1).高度hc与这两个点等距，其高度是它们的平均高度，由此产生hc=(l3 l2-2l1)/6n，在假设的基础上，该链段的曲率沿分段中的每一段均匀分布。因此，每个截面的曲率沿该段保持不变。定义了一个截面的曲率，其中r，r是一个适合于树干段弯曲的圆的半径。在图9中所示的一些未知的情况下，有一个等腰三角形，边为r=1/k.表示由树干形成的圆的弧度。考虑一个平面A，它包含图7所示的树干顶部的圆周，注意这个平面上三角形的腿，这可以看作是平面起源点C的极地坐标中的向量r，Zф。2和3允许通过下一节详细介绍的坐标转换来确定rlt;ф。
若要计算每个r，请在图9中旋转包含l的第二平面B，从角ф到角90°旋转约1。电缆l的位置，使飞机现在包含1和l。图10显示了平面B的内容，其中包含一个较大的等腰三角形。
图10：确定r，边r和le/2n=h4 l1/2n，其中l2的定义类似于l3，in(1)和(2)，将此与较小的相似三角形产生h/d=(h l1/2n)/r1代替in(3)，则r1=d(l1 l2 l3)/l3 l2-2L1。类似地，r2=d(l1 l2 l3)/l3 l2-2L1和r3=d(l1 l2 l3)/l3 l2-2L1.
3.2计算k，和ф。躯干段曲线和曲率角将r长度转换为ф，如图5所示，躯干弯曲的角度。进行了刚刚导出的r1，r2，r3的坐标变换。和河请注意，电缆1，2和3在主干的周长上的位置分别为90°，210°和-30°，如图所示。
图11:单位向量i（1-3）x y沿着向量r
将平面A中的这些半径看作一个矢量，注意沿x轴方向的角度
每一个半径都延伸出r1=r1ang;90°，
r2 = r2 ang;210°，r3 = r3=r3ang;- 30°。使用
基础矩阵B=转换以标准正交基得率r1=(r3-r2)/radic;3和r3=-r2-r3=r1。
3.3计算一段主干的长度，每段主干有n段。在每一段，电缆运行在一条直线从一个单一的指南到下一个。解决电缆加长一段允许确定电缆在所有路段。。因此，只要考虑一下树干就行了。因此，本条的长度为8。弯曲躯干产生如图所示的几何图形。考虑一个长度L的虚拟电缆，如图中所示，连接到主干横截面的中心，并从主干的顶部到底部移动。Lc=L1 2nh由(3)收益率代入.
检查绘制的三角形
在图9所示的内小圆细胞内。
12表明,
将式(7)和式(9)中得到的s用电缆长度表示为
X=nd(L1 L2 L3)/radic; -L1L2-L2L3-L3L1
逆运动学遵循类似于求解正运动学允许的方法的几何方法-逆运动方程的确定(jones，2004)
L1=2nsin(sk/2n)(1/k-dsin)
L2=2nsin(sk/2n)(1/k dsin(60° ))
L3=2nsin(sk/2n)(1/k-dsin(30° ))
结论本文提出了一种独特的机械设计方法。可变柔度四自由度机器人集群和一组正、逆运动学，将缆线长度与躯干长度和曲率联系起来。该设计可从微型扩展到数十米，涵盖范围广泛的应用，如救灾、反恐、医疗设备、2项和远程探索-这项工作部分得到了国防研究计划局(DARPA)国防科学通过圣地亚哥的空间和海军作战系统中心的支持，合同号N 66001-03-C-8043。
参考文献
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吸气式真空装置气动模型的功能模型与仿真
Pevel D.Tocut，Petru A.Pop，Radu c.
本文提出了一种具有气动作用的机械手的功能模型，以提高注塑机机械手的技术性能。作者实现
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