绳索驱动测试系统:变刚度机械臂与手爪的创新应用
2025-02-07 15:16
No.1337442041059352576
技术概要
PDF全文
本系统专为变刚度机械臂与手爪设计,集成两自由度被动运动、三自由度主动运动、纯刚性机械臂、柔性关节等关键部件。系统通过变刚度技术,实现机械臂与手爪的精确控制,提升操作灵活性与适应性。
背景技术
随着机器人技术的迅速发展,机器人在工业、医疗、服务等领域的应用越来越广泛。传统的机器人一般具有刚性结构,这使得它们在执行高精度、高刚度的任务时表现出色。然而,刚性机器人在某些应用场景中存在局限性,特别是在需要与柔性材料或不规则物体进行复杂交互的任务中。为了应对这些挑战,变刚度技术应运而生。 变刚度机械臂和变刚度手爪能够根据任务需求动态调整自身的刚度。这种可调刚度特性不仅可以提高机器人的操作灵活性,还能有效增强其在复杂环境下的适应能力。例如,在需要通过狭窄空间或柔性材料进行操作时,变刚度机械臂能够柔化其结构以避免碰撞或损坏目标物体;当需要执行高精度操作或固定目标时,机械臂又可以迅速提高其刚度以确保操作的稳定性和精度。 目前,变刚度技术在实际应用中仍面临着诸多挑战,其中包括如何实现变刚度机械臂和手爪的精确控制与测试。为了测试和验证这种变刚度系统的性能,研发一种专门的测试平台显得尤为重要。现有的测试平台大多针对刚性结构设计,缺乏对变刚度系统的支持。 现有一种可变刚度的刚柔耦合机械臂,该机械臂结合了柔性机械臂的高灵活性和刚性机械臂的高精度,通过柔性弯转臂与刚性调节组件的配合来实现刚度的动态调节。柔性弯转臂内设置有一个刚性调节腔,通过调节刚性调节杆的伸入深度来控制弯转臂的刚度大小。这种设计使得机械臂能够在柔软和刚性之间切换,从而适应不同的任务需求。该机械臂还配备了多个传感器,通过实时监测柔性机械臂的弯曲程度进行负反馈调节,确保机械臂在执行任务时的精度和稳定性。其缺点有:1、结构复杂性与维护成本:该机械臂依赖复杂的刚性调节组件和多传感器系统,这不仅增加了机械臂的结构复杂性,还可能导致制造和维护成本的上升。2、响应速度与控制难度:该系统需要依赖多传感器的反馈以及气动驱动来实现刚度调节,这可能会导致系统的响应速度受到限制,并且增加了控制的难度。特别是在面对快速变化的任务环境时,这种系统可能难以保持稳定的性能。3、柔性与刚性切换的平滑性:在该设计中,刚度调节是通过调节刚性调节杆的伸入深度来实现的,这种方式在柔性与刚性切换过程中可能会出现不够平滑的情况,影响机械臂的操作连续性和操作者体验。 现有另一种混合驱动式可折展空间软体机械臂,采用了绳索驱动与充气驱动相结合的混合驱动模式。该机械臂设计为多段式结构,由多个模块化结构单元串联构成。每个模块化结构单元通过中心气囊相连,并在隔板上连接有驱动绳索,驱动绳索通过驱动电机进行控制。中心气囊用于实现机械臂的充气驱动,而驱动绳索则提供了机械臂的结构支持和运动控制。在工作过程中,机械臂通过充气实现展开,通过拉紧绳索实现折叠,从而具备变刚度和可折展的性能。这种设计特别适用于空间任务应用,能够在收纳时显著减少体积,并在展开时提供足够的刚度和灵活性。其缺点有:1、驱动方式的复杂性与稳定性:该混合驱动方式涉及了气囊和绳索的双重控制,这使得整个系统的控制和协调变得更为复杂。特别是在气囊充气和绳索拉紧之间需要保持精确的同步性,这可能会导致系统在快速响应需求时存在稳定性问题。2、适用环境的局限性:该混合驱动式机械臂主要针对空间任务设计,具有在真空环境下操作的优点,但在地面或工业环境中的应用可能会受到一定限制,尤其是在面对非标准或动态环境时,系统的适应性和灵活性可能不足。3、维护与操作复杂性:该系统的多段结构和复杂的驱动模式使得维护和操作变得更加复杂,特别是在需要对气囊或绳索系统进行维护时,操作的难度和成本都会增加。 需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
实现思路
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该技术已申请专利,如用于商业用途,请联系技术所有人!
技术研发人员:
王学谦  梁华岳  李寿杰  谭俊波
技术所属: 清华大学深圳国际研究生院
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