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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (4): 449-455    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.046
机器人与机构设计     
基于散粒体阻塞机理的变刚度柔性机械臂研究
金洪杨1(),岳龙旺1(),刘景达1,郑卫卫1,赵朝1,徐嘉辉2
1.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001
2.郑州长城仪器科技研究院有限公司，河南 郑州 450001
Research on flexible manipulator with variable stiffness based on particle blocking mechanism
Hongyang JIN1(),Longwang YUE1(),Jingda LIU1,Weiwei ZHENG1,Zhao ZHAO1,Jiahui XU2
1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China
2.Zhengzhou Great Wall Scientific Instrument Research Institute Co. , Ltd. , Zhengzhou 450001, China
 全文: PDF(3480 KB)   HTML
摘要：

为提高柔性机械臂的刚度和控制精度，基于散粒体阻塞机理对柔性机械臂的变刚度控制进行了研究。在柔性硅胶管内部填充塑料颗粒以构成变刚度杆，并通过理论分析和实验研究构建了其刚度模型。沿圆周方向对称并联布置3根变刚度杆以构成变刚度柔性机械臂，并基于搭建的实验平台对柔性机械臂进行变刚度控制和定位精度分析。结果表明：散粒体阻塞不仅可以实现柔性机械臂的刚度调节，还可以提高其控制精度；柔性机械臂的剪切刚度与变刚度杆的真空度成正比，柔性机械臂的定位精度与变刚度杆的剪切刚度也存在一定的正比关系。研究结果对促进柔性机械臂在工业机器人、服务机器人领域的广泛应用和提高人-机交互、人-机协同安全性有重要意义。
关键词： 变刚度杆;  柔性机械臂;  定位精度;  散粒体阻塞    
Abstract:

In order to improve the stiffness and control accuracy of flexible manipulators, the variable stiffness control for flexible manipulators was studied based on the particle blocking mechanism. A variable stiffness rod was formed by filling plastic particles in the flexibility silicone tube, and its stiffness model was built through the theoretical analysis and experimental research. Three variable stiffness rods were symmetrically arranged in parallel to form a variable stiffness flexible manipulator. Based on the established experimental platform, the variable stiffness control and positioning accuracy analysis for the flexible manipulator were carried out. The results showed that particle blocking could not only achieve the stiffness adjustment of the flexible manipulator, but also improve its control accuracy; the shear stiffness of the flexible manipulator was proportional to the vacuum degree of the variable stiffness rod, and the positioning accuracy of the flexible manipulator was also proportional to the shear stiffness of the variable stiffness rod. The research results are of great significance in promoting the wide application of flexible manipulators in the fields of industrial robots and service robots, and improving the safety of human-machine interaction and human-machine collaboration.
Key words: variable stiffness rod    flexible manipulator    positioning accuracy    particle blocking
收稿日期: 2022-08-03 出版日期: 2023-09-04
CLC:  TH 164  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51541508);河南省自然科学基金资助项目(182300410286)
通讯作者: 岳龙旺     E-mail: jinhong.yang@163.com;yue_lw@163.com
作者简介: 金洪杨（1997—），女，辽宁葫芦岛人，硕士生，从事机器人、机器视觉技术研究，E-mail: jinhong.yang@163.com，https://orcid.org/0000-0002-3251-5354
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金洪杨
岳龙旺
刘景达
郑卫卫
赵朝
徐嘉辉

引用本文:

金洪杨,岳龙旺,刘景达,郑卫卫,赵朝,徐嘉辉. 基于散粒体阻塞机理的变刚度柔性机械臂研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 449-455.

Hongyang JIN,Longwang YUE,Jingda LIU,Weiwei ZHENG,Zhao ZHAO,Jiahui XU. Research on flexible manipulator with variable stiffness based on particle blocking mechanism[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(4): 449-455.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.046    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I4/449

图1  变刚度杆结构
图2  变刚度杆剪切模型
图3  变刚度杆内部受力模型
图4  变刚度杆力学特性实验装置
图5  不同真空度下变刚度杆负载力与位移的关系曲线
图6  变刚度杆剪切刚度的理论值与实验值对比
图7  变刚度柔性机械臂系统
参数量值
初始长度510 mm
质量746 g
气动人工肌肉直径20 mm
最大弯曲角度90°
表1  变刚度柔性机械臂的主要参数
图8  变刚度柔性机械臂实验平台1—空压机；2—控制电脑；3—直流电源；4—Arduino单片机；5—电磁阀；6—压力阀；7—变刚度柔性机械臂；8—角度传感器；9—位移传感器。
图9  变刚度柔性机械臂驱动实验现场
图10  变刚度柔性机械臂的驱动性能曲线
真空度/kPa剪切刚度/（N/m）定位精度/(o)
01800.42
-13.32400.25
-26.63000.20
-39.93600.19
表2  变刚度柔性机械臂的剪切刚度与定位精度
图11  变刚度柔性机械臂定位精度与剪切刚度的关系曲线
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