一种基于脊柱结构原理的超灵巧机械臂设计

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1、第２２卷第５期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＯｃｔ．２０１６一种基于脊柱结构原理的超灵巧机械臂设计王海荣，樊绍巍，倪风雷，刘宏（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨１５０００１）摘要：针对超灵巧机械臂既要确保灵巧和柔顺还应具有一定承受外部载荷能力的设计难点，通过对比分析与超灵巧机械臂相关的生物结构，包括以象鼻和章鱼触手为代表的无骨架类和以脊柱和鸟类颈部为代表的有骨架类的特性，发现哺乳动物脊柱的结构可以有效平衡灵巧性、柔顺性和负载能力之间的关系。在此基础上提出了一种基于脊柱结

2、构原理的超灵巧机械臂，本体长约３４０ｍｍ，最大直径３９ｍｍ，约占总长度的５?８％，剩下部分的直径为２８ｍｍ，本体重约５００ｇ。该机械臂的负载能力通过刚度特性实验得到了验证，实验结果可为该机械臂在外部载荷作用下的应用提供参考。关键词：超灵巧机械臂；脊柱；仿生学；刚度特性中图分类号：ＴＰ２４２?３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０５⁃０５４４⁃０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｉｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄＨｙｐｅｒ⁃ｄｅｘｔｅｒｏｕｓＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＷＡＮＧＨａｉｒｏｎｇ，ＦＡＮＳｈａｏｗｅｉ，ＮＩＦｅｎｇｌｅｉ，Ｌ

3、ＩＵＨｏｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＳｙｓｔｅｍ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｙｐｅｒ⁃ｄｅｘｔｅｒｏｕｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏｂｅａｒｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄｉｎｇｉｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｘｔｅｒｉｔｙａｎｄｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

4、ｏｆｔｙｐｉｃａｌｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｈｙｐｅｒ⁃ｄｅｘｔｅｒｏｕｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｗｏｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ．Ｏｎｅｃａｔｅｇｏｒｙｉｓｔｈｅｓｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｓｋｅｌｅｔｏｎｓｕｃｈａｓｔｈｅｔｒｕｎｋａｎｄｔｈｅｏｃｔｏｐｕｓｔｅｎｔａｃｌｅｓ．Ｔｈｅｏｔｈｅｒｏｎｅｉｓｗｉｔｈｓｋｅｌｅｔｏｎｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｐｉｎｅｏｆｓｎａｋｅｓ，ｃｅ

5、ｒｖｉｃａｌｓｐｉｎｅｏｆａｖｅｓａｎｄｓｐｉｎｅｏｆｍａｍｍａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｐｉｎｅｏｆｍａｍｍａｌｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｂａｌａｎｃｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｅｘｔｅｒｉｔｙ，ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅａｎｄｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙ．Ａｈｙｐｅｒ⁃ｄｅｘｔｅｒｏｕｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｓｐｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｂｏｕｔ５．８％ｏｆｉｔｓｌｅｎｇｔｈｗａｓ３４０ｍｍｗｉｔｈａｍａｘｉｍｕｍｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ３９ｍｍａｎｄｔｈｅｒｅｍａ

6、ｉｎｄｅｒｗａｓ２８ｍｍｉｎｄｉａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｂｏｄｙｗａｓａｂｏｕｔ５００ｇ．Ｓｅｒｉｅｓｏｆｓｔｉｆｆｎｅｓｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｉｎ⁃ｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｕｎｄｅｒｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｐｅｒ⁃ｄｅｘｔｅｒｏｕｓｍａｎｉｐ

7、ｕｌａｔｏｒ；ｓｐｉｎｅ；ｂｉｏｎｉｃｓ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ［１］频。凭借其固有的超灵巧特性，超灵巧机械臂１引言在受限空间的运动和操作能力远高于传统的关节超灵巧机械臂（Ｈｙｐｅｒ⁃ＤｅｘｔｅｒｏｕｓＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，式机械臂。因此，在空间操控、工业和医疗等领域ＨＤＭ）的概念由美国国防高级研究规划局（ＤＡＲ⁃都具有重要的应用价值。ＰＡ）在“凤凰计划”中首次提出，在交会与接近操现有的超灵巧机械臂从结构上看大致可分为作（ＲｅｎｄｅｚｖｏｕｓａｎｄＰｒｏｘｉｍｉｔｙＯｐｅｒａｔｉｏｎｓ，ＲＰＯ）及三种形式：传统

8、串联超冗余形式、并联机器人串联重新机动操作期间以其支持态势感知（Ｓｉｔｕａｔｉｏｎａｌ形式和连续体机器人形式。传统串联超冗余形式Ａｗａｒｅｎｅｓｓ）能力为地面遥操作提供图像和视ＨＤＭ由很多短的刚性杆组成，其