气动机械手毕业设计翻译.docVIP

“软”2-自由度平面气动机械手的设计 M. Van Damme, R. Van Ham, B. Vanderborght, F. Daerden, and D.Lefeber 机器人和多体力学研究团队,机械工程学系, 比利时布鲁塞尔市中心的自由大学michael.vandamme@vub.ac.be 摘要 本文提出这样一个的概念，即使是重量很轻的机械手也能够直接和操作员一起，协助他处理沉重的货物。该系统的优点是：符合人类工程学、重量轻、成本低、操作简便并且能很好的保护操作人员的安全。执行机构采用了褶皱式气动人工肌肉。我们提供一种使用这种执行机构设计的机械手的小型模型，以及用于该机构的滑模控制器。 关键词:气动人工肌肉,滑模控制。 1引言 徒手搬运物料的工作,比如搬起和移动重物,或搬运重物的时候长时间保持一个姿势是导致常见的腰部疾病和其他健康问题的原因。事实上，人工搬运已与大部分腰部受伤，占所有工人伤病赔偿的16-19％，同时也是所有与工作相关的赔偿的33-41％[1]。这个问题不但使得受伤工人的生活质量受到很严重影响，而且它也是一个很大的经济的支出。 传统的解决方案是使用市售的机械手系统。这些系统大多采用配重，这就限制了它用于一些特定的重量负荷的工作。 为了提高安全性和工人的生产力，在机器人专业领域已经在研究其他几种机器人辅助操纵的方法 [2，3，4]。在这些研究??过程中开发的设备都是属于一些材料处理设备，这些设备被称为智能辅助装置（IADS）。然而，这些设备大多是沉重的，不仅结构复杂而且造价昂贵。 在本文中，我们提到的机械手初步的设计和控制，最终将结合人体工程学，操作安全，成本低，重量轻和易于操作和控制。所有这一切都可以通过布鲁塞尔自由大学的机械工程系开发的褶皱气动人工肌肉（PPAM）[5]执行机构来实现，这是一种一由压缩空气驱动的可收缩的装置。 我们正努力实现让这个系统能做到这样一点：当操作员希望移动机器手上的重物,那么他/她就可以像没有机械手一样开始移动它。该系统通过测量肌肉压力表的压力值，可以不断估计由操作员应用的力量，并协助他/她在完成所需的负荷动作。操作员和负载（不含中介控制工具）之间的直接互动，可以实现非常精确的定位。 在人们眼中使用任何机械设备的主要要求就是安全。 PPAM驱动器非常有助于提高操纵系统的整体安全性：它允许轻量的工作，没有触电的危险，最重要的是，肌肉本身和它是相容的。 在本文中，为了证明这种机械手而设计了一个小型的概念模型，模型由两个PPAM驱动的反肘装配链接组成，为一个滑模控制器的系统进行开发和测试。系统显示如图1。 图1。机械手的规模模式 2机器人的设计2.1简介 我们的目标是设计一个在垂直平面内能提供帮助的机器。这意味着就两个驱动能满足自由度的要求。我们考虑了三种可能的连接配置：肘，反肘和菱形。由于设计上考虑到重量应尽可能轻，结构尽可能简单，这样的话菱形的配置显然是不适合的。作为操作员将可以直接和机械手互动，这一点也非常重要，机器手臂不能妨碍到操作员的动作。出于这个原因，我们选择了肘这种配置。 为了方便开发和测试，并获得与这种类型的系统的经验，我们决定先开发一个小型机器人。选择两个环节的长度是30厘米。 2.2设计图2显示了逆肘配置中的两个环节的的示意图。图中还包括约定了一个惯例，本文剩余的部分是如何定义两个关节角度和如何对不同气动肌肉进行编号的。 图2 逆肘的配置 因为我们有四个PPAMs，有8个附着点。每个点的位置可以由两个坐标来描述。每块肌肉有两个参数（长细比和最大长度）。这意味着有一共有24个待定参数。确定最好的设计意味着需要在全球24维参数空间中发现一个最好的，受到条件影响，如产能，空间冲突的情况下，避免肌肉过度负荷，确保有足够大的工作区，......这已被证明是难以计算的。因此，不同的参数进行手动选择，主要是经过广泛的计算机实验之后便于生产。 2.2.1转矩特性一旦所有附着点的位置和PPAM参数能够确定下来，我们就可以判断这两个关节的扭矩特性。由于PPAM肌肉使用非线性收缩压力的关系（见[5，6]），那么由肌肉产生的扭矩可以写成 (1) γ=α肌肉1和2与γ=β肌肉3和4。方程（1）证实了在两个确定扭矩因素之间有一个明显的差别：表面压力和扭矩函数m之间的关系取决于其设计参数和两者的位置。扭矩功能表示如图3。在[7]中可以找到更多细节。 图3扭矩功能 3 控制3.1 简介我们所使用的褶皱气动人工肌肉，它的控制器的设计并不简单。在设计控制器时所遇到的困难包括以下内容：?机械臂及其驱动器具有很强的非线性系统。PPAMs上的测量也表明在力-压力特性上略有滞后。这使得当仅仅提供压力测量值的情况下难以估算它的驱动