吉林長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　盛龍　楊柳

蛇形機(jī)械手臂模型的運(yùn)動(dòng)分析

吉林長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院盛龍楊柳

蛇形手臂機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上連續(xù)，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，并可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人難以做到的。因此，它能有效、迅速、可靠地應(yīng)用于許多工作。本文提出一種獨(dú)特的雙驅(qū)動(dòng)加上纜繩張力不變的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)有很大的彎曲靈活性，推出了實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)模型。

蛇臂；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；纜繩

1引言

由于自然災(zāi)害如地震、恐怖活動(dòng)等原因，在世界各地，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。在災(zāi)難救援中，救援人員只有非常短的時(shí)間在倒塌的樓房廢墟中尋找幸存者。在這種危險(xiǎn)環(huán)境下，機(jī)器人技術(shù)可以為救援人員提供幫助，而且機(jī)器人的靈活性受到考驗(yàn)，設(shè)計(jì)成蛇形手臂的機(jī)器人由于其具有多關(guān)節(jié)、多自由度、多冗余自由度等特點(diǎn)，可以形成多種運(yùn)動(dòng)模式，非常適用于在復(fù)雜環(huán)境中，如可在有輻射、有粉塵、有毒及倒塌建筑物環(huán)境下進(jìn)行搜救、偵查、排除爆炸物等搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)，因此實(shí)用性很強(qiáng)。

2運(yùn)動(dòng)模型

圖1?。╝）蛇形手臂的全視圖?。╞）手臂的一部分

蛇形手臂包括圓盤、驅(qū)動(dòng)纜繩、關(guān)節(jié)、剛性桿。圓盤通過兼容性關(guān)節(jié)和纜繩相連接，依靠驅(qū)動(dòng)纜繩產(chǎn)生的扭矩，手臂進(jìn)而彎曲。該設(shè)計(jì)能使手臂獲得一個(gè)比較均勻的彎曲狀態(tài)。

3運(yùn)動(dòng)模型分析

3.1運(yùn)動(dòng)分析正解

運(yùn)動(dòng)分析正解的目的就是確定蛇臂頂端的位置，整個(gè)蛇臂的運(yùn)動(dòng)取決于一段的運(yùn)動(dòng)，取蛇臂的一段進(jìn)行分析，如圖2，O1和O2是兩個(gè)關(guān)節(jié)的樞軸點(diǎn)，分別在兩個(gè)點(diǎn)建立坐標(biāo)系

圖2　蛇臂一部分的運(yùn)動(dòng)模型：（a）全視圖；（b）彎曲截面圖

由此我們可以對蛇臂的一部分進(jìn)行定位。

3.2運(yùn)動(dòng)分析反解

反解運(yùn)動(dòng)分析的目的就是為了達(dá)到需要的蛇臂狀態(tài)的纜繩長度。反解分析分為兩步：首先通過給定的方位角和彎曲角，獲得上端的固定點(diǎn)Bi，然后每束纜繩的長度可以通過向量的大小得到。

參考圖2，由向量方程每束纜繩可以表示如下：

圖3　蛇臂的形態(tài)

這種情況是考慮蛇臂在彎曲的時(shí)候沒有額外的伸長得到的。

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