连续型机器人的设计与动力学建模

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1、＿次ｆ太摩ＴＩＡｍｉｈＪｉｍｉＶＥＲＳＩＴＹ中国第－臓代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５硕士学位论文机械工程学科专业：：郭勇作者姓名指导教师：康荣杰副教授陈焱教授天津大学研究生院２０１５年１２月天津大学硕士学位论文连续型机器人的设计与动力学建模DesignandDynamicModelingofAContinuumRobot一级学科：机械工程学科专业：机械工程作者姓名：郭勇指导教师：康荣杰副教授陈焱教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论

2、文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研宄成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证一书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：令Ｉ签字日期：年丨Ｚ月“日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检、、。索，并采用影印缩印或扫

3、描等复制手段保存汇编以供査阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）＇学位论文作者签名：方！导师签名＾签字日期：扣丨厂年＞月／／日签字日期：如丨厂年丨乂月／／日中文摘要传统的刚性机器人已经在现代社会中得到了广泛的应用，但是由于缺乏柔顺性，不适合工作于非结构化、高约束的环境中。不同于传统刚性机器人，连续型机器人模仿章鱼触手、象鼻等生物器官的“无脊椎”结构，可柔顺地改变自身形状以适应环境，具有更好的灵活性与安全性。但也正因为其全身柔顺性，有无限多的自

4、由度，在控制上很难达到较高的刚度和精度，这也是制约连续型机器人广泛应用的一大重要因素。本文主要提出了一种采用新型混合驱动原理的仿章鱼触手连续型机器人。所使用的驱动器是在传统的人工气动肌肉的基础上内置回中弹簧，增加了其刚度，使其在外力或者驱动力撤销之后能回到初始位置，同时在气压驱动的基础上，在气动肌肉内部穿过驱动丝使其能对机器人位姿进行微调，提高了控制精度。本文还提出了一种基于弹簧-阻尼-质量块系统的连续型机器人三维动力学模型，该动力学模型将连续型机器人沿轴向分割成若干片段，每一片段都用弹簧-阻尼-质量块进行替换，然后通过Rung

5、e-Kutta迭代法求其运动过程。该模型能够同时考虑外力及驱动力，且能在三维空间内反应机器人的软体特性。最后，通过实验及仿真验证了样机以及模型的性能。实验结果和仿真结果达到了较好的一致性。关键词：连续型机器人；混合驱动；动力学建模；IAbstractConventionalrigidrobotshavebeenwidelyusedintheworld,buttheyarenotsuitableforoperationinunstructuredorhighlyconstrainedenvironmentsduetothelack

6、ingofflexibility.Continuumrobotshaveattractedincreasingfocusinrecentyearsfortheirintrinsiccompliancethatallowsfordexterousandsafemovements.Ontheotherhand,thecompliancereducesthestructuralstiffness,andthereforeleadstotheissueoncontrolprecision.Thisthesispresentsthedes

7、ignofanoctopusinspiredcontinuumrobotusinghybridactuation.Theactuatorutilizesaresilientspringembeddedinthepneumaticmusclewhichcanhelpthemuscletogobacktoitsneutralpositionwhentheactuatingforceorexternalforceiscanceled.Thereisalsoacablegoingthroughthemusclechambertoprov

8、idefineadjustmentofthemusclelength,whichincreasesthepositioningprecisionoftherobot.A3-dimensional(3-D)dynamicmodelisthendevelopedby