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兩自由度并聯機構超靈巧機械臂的研發

添加時間:2020/07/21 來源:燕山大學 作者:張小雨
超靈巧機械臂的模塊關節采用中空的布局使高壓水管可以在機械臂內部穿過。建立了超靈巧機械臂的力學模型,設計了液壓缸和液壓控制回路。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  針對附著在海洋船舶和海上平臺表面的海洋污損物的清洗需求,本文設計了一種超靈巧機械臂,研究了機械臂的運動學及路徑規劃等問題。采用仿生學設計思想和模塊化設計理念,提出了基于兩自由度并聯機構的模塊關節,采用三種不同尺寸的模塊關節組成了超靈巧機械臂。該超靈巧機械臂的模塊關節采用中空的布局使高壓水管可以在機械臂內部穿過。建立了超靈巧機械臂的力學模型,設計了液壓缸和液壓控制回路。

  建立了超靈巧機械臂模塊關節的運動學模型,求解了驅動變量和姿態變量等式,在此基礎上對模塊關節的尺寸參數進行了優化分析。根據超靈巧機械臂整臂串并混聯的特點,利用改進后的 D-H 法建立了超靈巧機械臂整臂運動學模型,得到了整臂運動學正解并求解了超靈巧機械臂工作空間。

  應用 A*搜索算法規劃了超靈巧機械臂末端點的全局路徑,擬合了搜索路徑上的節點,求解了超靈巧機械臂整臂的姿態,實現了超靈巧機械臂的路徑規劃,給出了基于圓柱體包絡下的靜態碰撞檢測方法。利用 Adams 軟件仿真驗證了超靈巧機械臂路徑規劃的正確性以及在三維空間運動的靈活性。

  關鍵詞:并聯機構;超靈巧機械臂;運動學分析;路徑規劃;虛擬樣機仿真

超靈巧機械臂

Abstract

  Aiming at the cleaning demand of marine fouling objects attached to the surface of marine ships and offshore platforms, this paper designs a super-dexterous manipulator, and studies the kinematics and path planning of the manipulator. Using Bionics design idea and modular design concept, the module joint based on 2-DOF parallel mechanism is proposed, and the ultra-dexterous manipulator is composed of three different sizes of module joints. The modular joints of the ultra-dexterous manipulator use a hollow layout so that the high-pressure water pipe can pass through the inside of the robotic arm. The mechanical model of ultra-dexterous manipulator is established, and the hydraulic cylinder and hydraulic control circuit are designed.

  The kinematics model of the joint of the super-dexterous manipulator module is established, and the driving variable and attitude variable equation are solved, and the dimension parameters of the module joint are optimized and analyzed on the basis of this. According to the characteristics of the whole arm string and blending of the ultra-dexterous manipulator, the kinematics model of the super-dexterous manipulator Arm is established by using the improved D-H method, and the positive solution of the whole arm kinematics is obtained and the working space of the super-dexterous manipulator is solved.

  Based on the global path planning of the A* search algorithm at the end point of the ultra-dexterous manipulator, the nodes on the search path are fitted, the attitude of the whole arm of the super-dexterous manipulator is solved, the path planning of the super-dexterous manipulator is realized, and the static collision detection method under the envelope of the cylindrical body is given. The correctness of the path planning of the super-dexterous manipulator and the flexibility of the motion in three-dimensional space are verified by using Adams software simulation.

  Keywords: parallel mechanism; super-dexterous manipulator; Kinematic analysis; Path planning; Virtual prototype simulation

目 錄

  第 1 章 緒 論

  1.1 課題背景及研究的目的和意義

  我國的海洋領域面積廣闊,其中包括靠近陸地的海岸線近兩萬公里,數量較多的島嶼、島礁,以及主張的海洋管轄區域達到了 300 萬平方千米。 海洋領域相關產業不斷提升和發展,其中包括以海洋漁業、海洋礦業、海洋交通運輸業等為主等,這些以海洋為依托的產業得到了極大的發展,幾年來持續高于同期國家經濟增速。

  海洋帶動的經濟發展在國民經濟中扮演著越來越重要的角色,有力的支撐了開放性經濟的構建。國家不斷加大在海洋工程裝備及高技術船舶上的投入,推動深海平臺建設、大型浮式海洋結構物的開發和應用。另外還提出了智能機器人技術與海洋技術、對非結構環境中為人類提供多種服務的集成智能機器人、危險服務機器人及海洋裝備為重點支持項目。海洋裝備及圍繞海洋裝備相關的高新技術發展已經成為了各個國家搶占的制高點,其中針對海洋平臺和海洋船舶表面的清洗裝備成為了發展的熱點[1].

 。ㄒ唬┖Q蟠笮推脚_清洗

  我國海洋大型平臺主要以海洋石油勘探開發為主,平臺水下部分的導管架立柱因長期浸泡在海洋中表面會附著海洋生物,對導管架產生腐蝕造成平臺安全隱患從而影響人員安全,因此需要對平臺水下立柱部分進行周期性的清洗。海上石油探測開采的日益增多,海洋平臺的清洗需求也迅速增加,那么高效、清潔、安全的機械自動化清洗也成為了重要的研究內容。

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  海底管道可以在海底連續的輸送大量的油氣,管道排布錯綜復雜,針對海底管道的清洗和檢測一般都需要潛水員攜帶清洗或檢測設備實施作業,勞動強度大且工作環境惡劣。開發一種模塊化、自動化的清洗設備來解決海底管道清洗難題,改善人員工作環境。

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  長時間在海洋中航行的船舶,其表面會附著一層海洋污損物。海洋中污損物種類多達 4000 多種,大致可以分成兩類,如細菌、微生物等微小動植物以及藤壺、動物幼蟲等宏觀生物[2].如圖 1-1 所示,這些附著在船舶表面的污損物可以不斷在其表面生長加快對船舶殼體的腐蝕,同時這些附著物加大了對船舶航行的阻力,大大加快了燃油消耗,增加了船舶運輸成本[3],因此船舶表面需要及時有效的清洗,如圖1-2 所示。針對船舶清洗行業,機械自動化清洗設備具有廣闊的應用前景。

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  在靠近城市的港口和海岸工程上,由于水體的污染以及富營養化,海洋生物繁殖旺盛,常常聚集附著在港口橋梁、航道等海岸工程上,嚴重影響港口的正常運行,若長期積累會直接影響這些海岸工程設施的使用壽命和降低安全性,因此對這些海岸工程的清洗也十分有必要。常見的清洗技術由噴砂清洗、生物清洗、人工處理技術、高壓水射流清洗技術等,其中高壓水射流清洗技術作為近年來新興技術得到了快速的發展和普及。對于海洋船舶、海洋管道等結構物的清洗主要是利用高壓水射流技術,通常高壓水射流采用清水為介質,利用高速的水射流沖擊物體表面,其作用力超過物體表面污損物附著在物體表面的粘合力時,即可從物體表面剝離污損物[4].高壓水射流清洗相對于傳統人工清洗,清洗質量好,速度快,對環境友好,應用范圍廣等諸多優點[5].

  隨著勞動力成本上升考慮到企業效益,設計一種超靈巧機械臂搭載高壓水射流來代替人工清洗就十分有必要了[6].相對于傳統清洗方法,通過超靈巧機械臂搭載高壓水射流的方法具有許多優點。首先超靈巧機械臂可以在環境惡劣的情況下進行清洗作業,從人工作業則需要考慮工作環境是否符合要求,不能給人體帶來傷害。其次提高了清洗工作效率解決了海洋平臺數量增多帶來的周期性清洗,清洗任務繁重的問題。綜上所述,設計一款超靈巧機械臂應用于清洗行業,解決海洋船舶和海洋平臺等清洗問題,為社會帶來巨大經濟效益。

  超靈巧機械臂作為一種復雜的機械臂,其設計過程是一個不斷迭代不斷完善的過程。鑒于目前已有超靈巧機械臂尺寸較小,工作活動范圍不大且承載能力比較差的情況,考慮海洋船舶和海上平臺表面清洗工作范圍大的情況,結合并聯機構結構緊湊、剛度高、承載能力強的特點和液壓傳動裝置功率體積比大的優點,設計一種基于液壓系統驅動的超靈巧機械臂來滿足高靈活性,高承載能力,較大工作空間的這一類應用場景需求。對超靈巧機械臂進行功能需求分析列出以下 4 條。

 。1)高靈巧性。超靈巧機械臂為了滿足在復雜環境下工作的要求,需要運動靈活。這就需要較多的自由度來保證在不同條件下超靈巧機械臂能夠完成任務,因為較多的自由度可以使機械臂實現足夠多的位姿。

 。2)工作空間大。相對于醫療等領域的精細化工作環境,本文設計的超靈巧機械臂主要應用于海洋結構物等尺寸較大的工作環境,故超靈巧機械臂自身設計尺寸應較大以滿足較大范圍的工作環境。

 。3)承載能力。由于設計的超靈巧機械臂臂展較長,導致其自重較大。此外若進行一些探索、清洗的工作那么機械臂的末端往往會加載一些工具,那么高的承載能力不可或缺。

 。4)操作簡單。操控簡單意味著控制方面要盡可能的簡單,好的機械產品一定具有好的操控性能,有利于產品的推廣和應用。

  1.2 超靈巧機械臂研究現狀

  1.2.1 國外超靈巧機械臂研究現狀

  美國 Clemson 大學的 Walker D[7]和 Hannan W 教授設計的一種新型繩索驅動仿象鼻子機械手臂[8-10],如圖 1-3 所示,該仿生象鼻機械臂由 16 個模塊關節組成,每個模塊可以 2 自由度的運動,整臂具有 32 個自由度可以實現靈活彎曲,伸展后總長達到 800mm.機械臂整體分為四個大段,每一段由四個單元關節組成,采用四線驅動的方式實現每段機械臂 2 自由度的運動能力,每段的極限角度為 40 度,其直徑分別是 10.16cm,8.89cm,7.62cm 和 6.35cm.因此機械臂在工作空間中的任意姿態僅有8 個驅動自由度,其余 24 冗余自由度則實現了一致的彎曲曲率。這樣該仿生象鼻機械臂在三維工作空間內可以實現靈活姿態,因此可以實現對物體的包圍抓取。

  美國 Webster R 教授等人設計了一款微小連續型導管機器人[11-12],如圖 1-4 所示,該導管機器人由直徑連續變化的同心 NiTi 管構成,該同心管具有超強彈性。圖中所示的同心管為己彎曲變形后彈性管,導管通過變形可以實現軸向的移動和扭轉。該款連續型導管機器人具有靈敏快速和微動能力特點,可應用于對嬰幼兒器官的微創手術[13].

  美國斯坦福大學 Camarillo D 教授設計了的一款基于線驅動的柔性機器人[14-16],如圖 1-5 所示,該款機器人由三段連續型關節組成,每段連續型柔性關節具有 2 個自由度,直徑大小是 4mm,總長達到了 700mm.該柔性機器人的每段柔性關節是通過四條繩索實現關節 2 自由度運動,四條繩索之間間隔 90 度分布,關節內部中空設計,從而使數據線可以從機器人內部隱蔽式穿過。機器人利用具有彈性的合金薄壁材質來保持其彎曲姿態。

  漢陽大學 Choi D 等學者研發了一款內窺鏡機器人[17],如圖 1-6 所示,該內窺鏡機器人伸展后總的長度是 104mm,其中模塊關節直徑為 8mm,模塊關節之間的連接是通過具有彈性的支架連接在一起,這些模塊間的彈性支架既連接了模塊關節又可以支撐整個機器人,維持機器人各種彎曲姿態而不變形。該內窺鏡機器人是通過 3根繩索的線驅動實現機器人 2 自由度的彎曲以及沿自身軸向方向的伸縮運動。

  英國 OC 公司研發了一款可以應用于核電檢測的商業化連續型機器人[18],該機器人總長達到了 2 米,直徑小于 100mm,同樣采用了繩索的驅動形式實現每段關節2 自由度彎曲。該連續型機器人共有 16 個自由度,能夠實現 720 度的彎曲姿態。如圖 1-7 所示該連續型機器人正在核電檢測作業。

  羅馬尼亞 Craiova 大學的 Boccolato G 教授采用仿生學設計思想,研制了一款可以在三維空間中實現自由轉動的連續型機器人[19],如圖 1-8 所示。該連續型機器人由三段組成,每段具有 2 個自由度的彎曲運動,每段通過三根繩索實現驅動,仿生型機器人內部具有一根彈性支撐條,可以使機器人保持彎曲姿態。

  法國 Pham 和 Chen 等學者研制了一款基于傳感器的半自主結腸鏡機器人Clobot[20],如圖 1-9 所示,取整個機器人是由硅橡膠材料制作而成,因為主要用于人體醫學檢測因此該材料滿足了與人體腸道的相容性。該機器人整體是單端連續型的,外徑為 17mm,內徑 8mm,驅動方式為氣壓驅動。


  1.2.2 國內超靈巧機械臂研究現狀

  國內高校和科研機構針對超靈巧機械臂領域研究起步較晚但已取得較多研究成果。中國科學院沈陽自動化研究所郁樹梅等人研究的水陸兩棲蛇形機器人[22],如圖1-10 所示,該機器人采用模塊關節設計理念,由九個具有俯仰和偏轉的萬向關節組成。關節之間用橡膠管連接作密封處理,使其可以在陸地和水下靈活運動。

  哈爾濱工業大學王海榮研制了一種借鑒脊柱結構的超靈巧機器臂[23].如圖 1-11所示,該超靈巧臂的設計應用了仿生學方法,通過分析無骨架類的生物結構如象鼻、章魚觸手和由骨架類的生物結構如人的脊柱、蛇的脊柱等結構特性,將其應用在機械臂的設計當中。該仿生超靈巧機械臂由六個模塊關節組成,每個關節的直徑為28mm,總重量為 500g,具有良好的靈巧性和柔順性。

  重慶交通大學羅天洪研制了一款可以吸附在船舶表面的機器人[24],機器人本體上又搭載有水射流的超靈巧機械臂進而實現對輪船表面和螺旋槳的清洗。如圖 1-12所示,正在進行噴水測試的超靈巧機械臂。哈爾濱工業大學胡海燕研制了一款多關節段連續型結腸內窺鏡機器人[25],如圖 1-13 所示,該內窺鏡機器人采用繩索驅動的方式,實現單段機器人彎曲運動,每段機器人是由多節萬向環通過鉚接耳連接而成,其外表用金屬網覆蓋,單段總長為 110mm,整個內窺鏡機器人由五段單關節段串聯組成,實現了總長 550mm,總的自由度為 10 的三維空間靈活彎曲運動。

  中國明航大學王維娟等人針對飛機油箱檢查的應用場景研制了一款飛機油箱檢測連續型機器人[26],如圖 1-14 所示,整臂有多段連續型關節組成,每段關節采用玻璃棒纖維作為柔性支撐桿來保持關節彎曲時姿態,關節采用四根繩索驅動,繩索之間相錯 90 度并穿過若干關節支撐圓盤。圖中顯示三個柔性關節收尾相連,達到一定的長度即可實現在飛機油箱內部遍歷、可達,探測的需求。

  北京航空航天大學翟士民等人通過較多數量的橡膠墊片依次串聯組成連續型機器人,如圖 1-15 所示,該機械臂分為三段,每段具有 2 個自由度,通過三根鋼絲繩線型驅動,鋼絲繩相互相隔 120 度,連續型機器人整體具有 6 個自由度,可以向任意方向彎曲 100 度。

  浙江工業大學邵鐵峰等人研制的一款氣動柔性仿生象鼻[28],該仿生象鼻型連續機器人伸展后總長為 400mm,如圖 1-16 所示,機器人末端具有 2 自由度的氣動夾取機械手,可以實現對小型物體的抓取作業。

  1.3 本文主要研究內容

  海洋石油結構物、船舶、海底管道和海岸工程等設施在復雜的海洋環境下容易附著和滋生海洋污損物,從而影響設施的使用壽命、可靠性能等,因此需要及時有效的清洗。本課題以此為應用背景,基于超靈巧機械臂在國內外的研究現狀,進行超靈巧機械臂的整體結構方案確定、驅動方式的選擇、模塊關節的尺寸優化以及超靈巧機械臂運動學的分析與仿真等。主要研究內容包括:

 。1)針對超靈巧機械臂應用場景進行功能需求分析,結合仿生學設計思想和模塊化設計理念,提出模塊關節 2SPS+U 并聯構型設計,進行驅動方式的選擇、關節材料的選取和靜力學校核。

 。2)進行超靈巧機械臂受力模型分析,求解液壓缸驅動力,確定液壓缸的尺寸參數,設計合理的液壓回路系統。求解高壓水射流反沖力大小,驗證超靈巧機械臂的承載能力。

 。3)建立單個模塊關節運動學模型,求解驅動變量和姿態變量的等式關系。分 析模塊關節工作空間,考慮模塊關節約束條件,優化關節尺寸參數。

 。4)建立超靈巧機械臂運動學模型,分析驅動空間和操作空間的關系,利用改進的 D-H 法求解超靈巧機械臂正運行學方程。求解模塊關節四種姿態下超靈巧機械臂的工作空間。

 。5)應用 A*搜索算法進行超靈巧機械臂末端點的全局路徑規劃,擬合搜索路徑節點,求解超靈巧機械臂整臂位姿,完成超靈巧機械臂的路徑規劃。

 。6)利用 SolidWorks 工具建立虛擬樣機三維模型,在 Adams 軟件中進行超靈巧機械臂的運動學仿真和避障規劃仿真。

  第 2 章 超靈巧機械臂設計
  2.1 模塊關節與超靈巧機械臂設計
  2.1.1 基于仿生學的設計思想
  2.1.2 超靈巧機械臂模塊關節的設計
  2.1.3 超靈巧機械臂三維模型的設計
  2.1.4 高壓水射流反沖力的計算
  2.1.5 超靈巧機械臂受力分析與驅動缸的確定
  2.2 靜力學校核
  2.3 本章小結

  第 3 章 超靈巧機械臂運動學分析
  3.1 模塊關節的運動學分析
  3.1.1 模塊關節運動學模型建立
  3.1.2 模塊關節工作空間分析
  3.1.3 模塊關節運動仿真分析
  3.2 超靈巧機械臂運動學方程建立
  3.3 超靈巧機械臂的工作空間分析
  3.3.1 模塊關節的姿態變換
  3.3.2 機械臂的工作空間分析
  3.4 本章小結

  第 4 章 基于 A*算法的超靈巧機械臂路徑規劃
  4.1 概述
  4.2 超靈巧機械臂工作空間建模
  4.3 基于 A*算法的全局路徑規劃
  4.3.1 超靈巧機械臂末端點啟發函數的選擇
  4.3.2 超靈巧機械臂全局路徑規劃的實現
  4.4 超靈巧機械臂路徑規劃實例
  4.4.1 路徑搜索
  4.4.2 超靈巧機械臂末端點的擬合
  4.4.3 超靈巧機械臂靜態下的碰撞檢測
  4.5 本章小結

  第 5 章 超靈巧機械臂的虛擬樣機運動仿真
  5.1 概述
  5.2 運動學仿真
  5.2.1 超靈巧機械臂模型的建立
  5.2.2 在 Adams 中添加零件屬性和運動副
  5.2.3 驅動的添加
  5.2.4 超靈巧機械臂的運動學仿真
  5.3 本章小結

結 論

  本文針對海洋船舶清洗需求,設計了一種由并聯機構模塊關節組成的超靈巧機械臂,進行了驅動缸的確定和控制回路的設計,分析了超靈巧機械臂的運動學,規劃了超靈巧機械臂末端點的路徑規劃,最后進行了運動學仿真驗證。主要取得的研究成果如下:

 。1)提出了一種串并混聯的超靈巧機械臂,機械臂由三種尺寸共九個并聯機構模塊關節組成,具有 18 個自由度三維空間運動能力。該超靈巧機械臂結構簡單,易于控制。

 。2)求解了模塊關節驅動變量和姿態變量的關系等式,分析了模塊關節約束條件,給出了大中小三種模塊關節優化尺寸參數。

 。3)建立了改進后的 D-H 法超靈巧機械臂整臂運動學模型,求解出超靈巧機械臂正運動學方程,繪制出超靈巧機械臂工作空間末端點在三維空間的分布圖。

 。4)應用 A*搜索算法實現了超靈巧機械臂末端點在工作空間的路徑規劃,求解出超靈巧機械臂姿態,利用 Adams 軟件仿真驗證超靈巧機械臂在三維空間運動的靈活性。

  本文取得的創新性成果如下:

 。1) 采用仿生學設計思想和模塊化設計理念,設計了一種采用并聯機構模塊關節連接的超靈巧機械臂,該機械臂結構簡單,靈巧性好,易于控制。

 。2)應用 A*搜索算法規劃了超靈巧機械臂末端點的全局路徑,擬合了搜索路徑上的節點,求解了超靈巧機械臂整臂的姿態,實現了超靈巧機械臂的路徑規劃。

  基于并聯機構的超靈巧機械臂作為一種特種機器人,涉及了多個學科和領域的知識,未來具有廣闊的應用前景,但仍有很多問題需要研究,包括以下幾點:

 。1)進一步進行試驗樣機的制備,完成實體樣機的測試。

 。2)進一步對超靈巧機械臂系統進行優化。其中包括在滿足超靈巧機械臂功能要求的前提下采用質量更輕,性能更好的復合材料。以及添加傳感器等,提高超靈巧機械臂的未知環境下的適應能力和應用范圍。

 。3)進一步研究超靈巧機械臂在三維空間的動態避障算法,使其能夠實現實時避障能力

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致 謝

  衷心感謝導師金振林教授! 感謝金教授在三年研究生學習生涯中的悉心指導和教誨。在科研工作中,金老師認真負責的工作態度,嚴謹求實的工作作風,兢兢業業的工作和踏踏實實的科研精神,是我終生的學習榜樣。此外,金老師在課題的選定及研究過程中給予了多次詳細的指導和點撥,從課題方向、課題進展以及論文撰寫和修改,處處受到了金老師高屋建瓴、提綱挈領的指導,體現了金教授學淵博、經驗豐富科研能力。同樣在生活上,也得到了金老師無微不至的關心和教誨,讓我懂得了許多為人處世的道理,是我人生中最寶貴的財富。在此,再次向尊敬的導師金振林教授致以崇高的敬意和由衷的感謝!

  感謝課題室張立猛、楊晨暉、劉海為在課題研究進展過程中給予的建議和意見。

  感謝博士師兄張金柱在我剛入課題室時的給予學習上的指引和幫助。感謝同窗好友張宗超、張全來和趙昌海在三年生活中對我的幫助。感謝陪伴我一路走來同學和朋友。

  感謝我父母在研究生階段給我的支持和鼓勵。

  感謝母校燕山大學提供優秀的成長平臺。

  最后感謝百忙之中為我評閱論文以及提出寶貴意見的各位專家。

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