具有大弯曲角的机器人蛇形柔性臂.doc

具有大弯曲角的机器人蛇形柔性臂
摘要:蛇形柔性臂由吸盘、主传动机构、转角机构、运动转换机构、控制系统以及电源几部分组成，其中主传动机构是其关键技术。它具有7个自由度，6个关节转动自由度，1个柔性臂整体转动自由度，柔性化主要通过其主传动机构来...
蛇形柔性臂由吸盘、主传动机构、转角机构、运动转换机构、控制系统以及电源几部分组成，其中主传动机构是其关键技术。它具有7个自由度，6个关节转动自由度，1个柔性臂整体转动自由度，柔性化主要通过其主传动机构来实现。

主传动机构是在等角度传动机构的基础上对结构作了某些创新后而得到的。这是一种特殊的万向节——铰杆式同步万向节。该万向联轴器输入轴与输出轴转速具有很好的同步性，效率高，结构简单，控制方便，构思新颖。在国内外文献中尚未见类似报道，其特色在于：
1，整个柔性臂采用一个电机驱动。这样既减轻了柔性臂的重量和缩短了每节长度，又提高了柔性臂的运动速度，臂体转速≥0.5转/秒；
2，柔性臂每一单元均可单独控制，与主传动机构的运动互不干涉，有多个独立自由度，属于欠驱动机构；
3，每一关节角位移可达到±90度，超过国际现有水平（±50度）；
4，关节可自由分离、组合、互换，便于搬运、现场装配和关节自由度的重组；
5，柔性臂两端装有可自动适应壁面状况的微盘组合式吸盘，可在有沟槽或不平整的壁面上吸附并行走。
该柔性臂本体重3kg，每节质量200g；机体尺寸每节长度60mm，外径80mm，基座由吸盘固定在平台上，吸盘底座直径100mm；柔性臂最小弯曲半径60mm。控制形式：每一关节可通过电磁离合器单独控制，控制系统具有手动、自动、示教、再现、记忆功能。

详细介绍：
柔体机器人是一项具有工业应用目标的高科技项目，它将大大扩大工业机器人的应用范围和工作空间，提高工业机器人的灵活性。
本蛇形柔性臂由吸盘、主传动机构、转角机构、运动转换机构、控制系统以及电源几部分组成，其中主传动机构是其关键技术。它具有7个自由度，6个关节转动自由度，1个柔性臂整体转动自由度，柔性化主要通过其主传动机构来实现。主传动机构是在等角度传动机构的基础上对结构作了某些创新后而得到的。这是一种特殊的万向节——铰杆式同步万向节。该万向联轴器输入轴与输出轴转速具有很好的同步性，效率高，结构简单，控制方便。
该柔性臂本体重3kg，每节质量200g；机体尺寸每节长度60mm，外径80mm，基座由吸盘固定在平台上，吸盘底座直径100mm；柔性臂最小弯曲半径60mm。控制形式：每一关节可通过电磁离合器单独控制，控制系统具有手动、自动、示教、再现、记忆功能。驱动源为一台直流伺服电机。
立项背景：
机器人作业自动化程度的高低很大程度上取决于机器人手臂的技术进步。以前国际上为提高机器人手臂的活动空间和灵活程度，主要着眼于机器人手腕的研究，并试图通过手腕的柔性化来达到工业自动化作业的要求。但是对于某些应用场合仅仅靠手腕的改进难以满足作业空间的要求。为此，自80年代初世界各国逐步展开了具有动作灵活，环境适应能力强，能回避障碍和奇异点的冗余自由度机械手臂的研究。

详创新点：本项目提出了一种铰杆式同步万向联轴器与弯曲机构组合而成的机器人蛇形柔性臂，结构简单，控制方便，构思新颖，国内外文献中尚未见类似报道。其特色与创新之处在于：
1，整个柔性臂采用一个电机驱动。这样既减轻了柔性臂的重量和缩短了每节长度，又提高了柔性臂的运动速度，臂体转速≥0.5转/秒；
2，柔性臂每一单元均可单独控制，与主传动机构的运动互不干涉，有多个独立自由度，属于欠驱动机构；
3，每一关节角位移可达到±90度，超过国际现有水平（±50度）；
4，关节可自由分离、组合、互换，便于搬运、现场装配和关节自由度的重组；
5，柔性臂两端装有可自动适应壁面状况的微盘组合式吸盘，可在有沟槽或不平整的壁面上吸附并行走。

综合比较：
1980年4月瑞典SPINE机器人公司研制了一台用于喷涂的机器人柔性手臂。它的主要缺点是结构复杂，元件数量多，更为主要的是该手臂的动作比较呆板，整条手臂的姿态总是弧形的，其任何一个关节都不能产生直角弯角，故而不可能适应诸如大直角弯曲的洞穴或小弯曲半径的洞穴。另外一个主要不足在于其控制困难，控制精度无法保证。
九十年代初日本东芝公司研制成功一种蛇形柔性臂。它有8个关节，每个关节有2个自由度，分别由两台电机驱动。它主要缺点在于体积庞大，其每一单元节的直径在100mm左右，每节长度在250mm左右，且手臂质量大，严重制约了手臂的加长。为此它弯曲的半径比较大，手臂粗短，动作笨拙，难以适应运动空间较小的工作环境。
1990年国内哈尔滨工业大学研制成功一种有多级臂杆串接而成的机器人柔性臂。它每节臂杆之间采用普通万向联轴节连接，实现各关节相对转动。采用一个电机实现多级弯转，而每节不能单独