蛇形机械手臂模型的运动分析

吉林长春理工大学机电工程学院　盛龙　杨柳

蛇形机械手臂模型的运动分析

吉林长春理工大学机电工程学院盛龙杨柳

蛇形手臂机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，结构上连续，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走机构的机器人难以做到的。因此，它能有效、迅速、可靠地应用于许多工作。本文提出一种独特的双驱动加上缆绳张力不变的设计方法，该设计有很大的弯曲灵活性，推出了实现此设计的运动模型。

蛇臂；运动状态；缆绳

1引言

由于自然灾害如地震、恐怖活动等原因，在世界各地，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间在倒塌的楼房废墟中寻找幸存者。在这种危险环境下，机器人技术可以为救援人员提供帮助，而且机器人的灵活性受到考验，设计成蛇形手臂的机器人由于其具有多关节、多自由度、多冗余自由度等特点，可以形成多种运动模式，非常适用于在复杂环境中，如可在有辐射、有粉尘、有毒及倒塌建筑物环境下进行搜救、侦查、排除爆炸物等抢险救灾任务，因此实用性很强。

2运动模型

图1　（a）蛇形手臂的全视图　（b）手臂的一部分

蛇形手臂包括圆盘、驱动缆绳、关节、刚性杆。圆盘通过兼容性关节和缆绳相连接，依靠驱动缆绳产生的扭矩，手臂进而弯曲。该设计能使手臂获得一个比较均匀的弯曲状态。

3运动模型分析

3.1运动分析正解

运动分析正解的目的就是确定蛇臂顶端的位置，整个蛇臂的运动取决于一段的运动，取蛇臂的一段进行分析，如图2，O1和O2是两个关节的枢轴点，分别在两个点建立坐标系

图2　蛇臂一部分的运动模型：（a）全视图；（b）弯曲截面图

由此我们可以对蛇臂的一部分进行定位。

3.2运动分析反解

反解运动分析的目的就是为了达到需要的蛇臂状态的缆绳长度。反解分析分为两步：首先通过给定的方位角和弯曲角，获得上端的固定点Bi，然后每束缆绳的长度可以通过向量的大小得到。

参考图2，由向量方程每束缆绳可以表示如下：

图3　蛇臂的形态

这种情况是考虑蛇臂在弯曲的时候没有额外的伸长得到的。

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