三自由度并联气动柔性执行器研究

摘要

近几年软体机器人发展迅速，利用压缩空气作为动力源的气动软体机器人前景广阔。为研究气动软体机器人，本文对三自由度并联气动柔性执行器进行了研究。该执行器由三个波纹管结构的柔性元件和两个连接盘组成，可以用于气动柔性平台，也可以将其多级串联组成仿生象鼻柔性机械臂。本文针对该执行器的柔性元件特性、运动学特性和静力学特性进行了一些理论研究，并制造了原理样机。
　　通过对波纹管式柔性元件的进行静力学建模分析，得到了波纹单元之间的力传递规律。还通过有限元分析的方法对波纹管的变形进行了计算分析，得到了波纹管的形状变化和单一作用力的关系。有限元分析还直观地展示了柔性元件的变形，并发现正弦型波纹管的刚度较S型和U型强。
　　在假定三自由度并联气动柔性执行器弯曲状况是圆弧的情况下，分析得到了执行器的运动学模型。设计了利用拉伸传感器、尼龙线和滑轮组成的柔性元件长度测量装置，为进一步的位置闭环控制做了基础。此外还对该执行器的工作空间进行了分析计算，建立了其工作空间的评价标准。
　　基于圆弧假设，分析得到了执行器的静力学平衡模型，建立了外负载和气压之间的含参数定量关系。依据该关系的特解，发现执行器在某些状态下无法通过调压维持静平衡。研究还发现，执行器的拉力和弯矩可控而切向力不可控。
　　通过FDM打印技术制造了执行器的原理样机，并实现了其简单动作。对原理样机通入压缩空气实现了简单的运动。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2气动柔性执行器的国内外发展现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 柔性元件的分析

2.1引言

2.2柔性元件的结构

2.3柔性元件的力学模型

2.4波纹管单元的有限元分析

2.5本章小结

第3章 执行器的运动学分析

3.1引言

3.2三自由度并联气动柔性执行器的数学模型

3.3传感器测量设计

3.4工作空间

3.5运动过程

3.6本章小结

第4章 执行器的静力学分析

4.1引言

4.2执行器的结构简化模型

4.3本章小结

第5章 执行器的本体设计和实验验证

5.1引言

5.2执行器的本体结构设计

5.3执行器的实验平台设计

5.4三自由度并联气动柔性执行器的原理样机试验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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