仿章鱼腕柔性机械臂设计与研究

摘要

仿生柔性机械臂是从自然界软体动物的运动功能中获得灵感，基于功能仿生和结构仿生原理研制的新型机械臂。具有灵活性好、柔韧性高、运动范围广、能在非结构化环境中工作等优点，在航天和深海探测领域有较好的应用前景。本文针对水下非结构环境下操作对柔性机械臂的柔性大变形要求，基于章鱼腕肌肉结构的分析，研制出一种SMA丝驱动的仿生柔性机械臂，对其提出一种控制方法并对其进行试验研究。 首先，本文以章鱼腕足为仿生蓝本，在研究其生物学特性、肌肉组织和运动机理的基础上，设计一种SMA丝驱动的仿章鱼腕柔性机械臂结构，并在结构设计的基础上建立其柔性变形运动的力学模型获取SMA丝的应力和柔性机械臂弯曲角度的关系方程。 随后，提出仿章鱼腕柔性机械臂的控制方法，并对SMA丝进行理论分析，引入SMA丝的热力学模型和本构模型，建立柔性机械臂的控制模型并使用Simulink进行仿真，并根据控制需求设计仿章鱼腕柔性机械臂的控制系统，包括硬件设计和软件设计两部分。 最后，研制了一种仿章鱼腕柔性机械臂样机，并搭建了用于柔性机械臂研究的试验平台。对柔性机械臂的运动性能和控制性能进行了试验研究。运动性能试验结果表明，柔性机械臂能实现连续的柔性弯曲运动，最大弯曲角度60°，在13V下获得了较好的驱动特性，PWM占空比与弯曲角度关系曲线和柔性机械臂弯曲角度变化曲线与理论分析吻合较好。控制性能试验所得弯曲角度偏差在3°以内，偏转角度偏差在12°以内，控制效果满足需求，验证了基于电阻反馈的柔性机械臂控制方法和矢量控制方法的可行性。

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