發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 14:04

　　 張拉機(jī)構(gòu)是一種由柔性繩和剛體桿組成的可變形機(jī)構(gòu),屬于一種非常靈活的多自由度欠驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)。張拉機(jī)構(gòu)的種類有很多種,例如標(biāo)準(zhǔn)的三棱柱張拉機(jī)構(gòu),四桿張拉機(jī)構(gòu)等。張拉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以有兩種方式:蠕動(dòng)和翻滾。蠕動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式所有的類型的張拉機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn),即對(duì)接觸地面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊處理,使其在機(jī)構(gòu)交替變形的過程中可以蠕動(dòng)前進(jìn)。而翻滾的運(yùn)動(dòng)方式是張拉機(jī)構(gòu)更為自然的一種運(yùn)動(dòng)方式,且在環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)性能方面具有更多的優(yōu)勢(shì)。而六桿張拉機(jī)構(gòu)擁有接近于球形的外形,更適合做翻滾運(yùn)動(dòng)。除此之外,六桿張拉機(jī)構(gòu)自身能夠進(jìn)行折疊以減少其占用空間,這也是張拉機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)張拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊處理后,更加便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。因此,其在太空探索的過程中也有極高的應(yīng)用價(jià)值。本文以六桿張拉機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,首先進(jìn)行了找形研究,對(duì)其構(gòu)型進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述,建立了六桿張拉機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋱D;針對(duì)六桿張拉機(jī)構(gòu)的特性,采用了聚合物螺旋卷繞型人工肌肉(TCA)作為其驅(qū)動(dòng)器;根據(jù)節(jié)點(diǎn)平衡方程建立了柔性人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能參數(shù)和六桿張拉機(jī)構(gòu)的重心變化之間的數(shù)學(xué)模型;從數(shù)學(xué)的角度闡述了六桿張拉機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)原理,給出了重力矩的定義并針對(duì)重力矩提出了六桿張拉機(jī)構(gòu)發(fā)生翻滾的臨界條件;并根據(jù)機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D進(jìn)行了對(duì)機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)步態(tài)研究;完成了六桿張拉機(jī)構(gòu)的桿繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用了開源軟件NTRTsim對(duì)六桿張拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。介紹了NTRTsim的仿真架構(gòu)和桿繩的模型,在NTRTsim仿真環(huán)境中使用C++來(lái)編程實(shí)現(xiàn)了六桿張拉機(jī)構(gòu)的建模,并對(duì)前述的找形問題結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證;闡述了張拉機(jī)構(gòu)的折疊原理,通過理論分析確定了平面型折疊和捆束型折疊的驅(qū)動(dòng)器組合方式;將采用的人工肌肉的物理性能參數(shù)添加到驅(qū)動(dòng)繩模型仿真中,實(shí)現(xiàn)了平面型變形和捆束型變形的效果;作為二級(jí)張拉機(jī)構(gòu)在仿真環(huán)境中能夠達(dá)到18.5°的彎曲效果;確定了實(shí)現(xiàn)連續(xù)翻滾的驅(qū)動(dòng)器控制時(shí)序,在NTRTsim軟件中完成了單步態(tài)仿真和連續(xù)翻滾仿真。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了六桿張拉機(jī)構(gòu)折疊變形和翻滾兩方面的驗(yàn)證。首先是無(wú)源溫度控制折疊實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建,使機(jī)構(gòu)達(dá)到了平面型折疊和捆束型折疊的預(yù)期效果,并對(duì)其進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)負(fù)載性能測(cè)試和支撐性能測(cè)試,結(jié)果表明六桿張拉機(jī)構(gòu)在150℃時(shí)即可從156mm的高度狀態(tài)下折疊至平面,又可以在承載900g的負(fù)載時(shí)高度增加至201.38mm,承載重量是其自身重量的11.38倍;完成了主動(dòng)溫度控制的六桿張拉機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和樣機(jī)制作,實(shí)現(xiàn)了六桿張拉機(jī)構(gòu)翻滾的開環(huán)控制,使其按照直線軌跡和拐彎軌跡進(jìn)行翻滾。其直線翻滾一周需150s,單個(gè)拐彎角度為89°,相關(guān)成果為后續(xù)實(shí)現(xiàn)六桿張拉機(jī)構(gòu)翻滾運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜路徑規(guī)劃提供了參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH112
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文構(gòu)如圖 1-2 所示。同手性人工肌肉指的是制作好的作時(shí)卷繞的方向相同，這種人工肌肉在受熱時(shí)會(huì)收異手性人工肌肉指的是線圈的空間螺旋特征與纖維升高產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。

圖 1-3 同手性人工肌肉隨溫度升高產(chǎn)生收縮變形018 年 4 月，Hyungeun Song 等人設(shè)計(jì)了一種通過電加熱和強(qiáng)制進(jìn)行熱循環(huán)的高性能聚合物卷繞型人工肌肉，并給出了相關(guān)的大提高了人工肌肉的響應(yīng)特性[10]，如 1-4 圖所示。

圖 1-2 不同結(jié)構(gòu)形式人工肌肉受熱變形情況圖 1-3 同手性人工肌肉隨溫度升高產(chǎn)生收縮變形，Hyungeun Song 等人設(shè)計(jì)了一種通過電加熱環(huán)的高性能聚合物卷繞型人工肌肉，并給出了人工肌肉的響應(yīng)特性[10]，如 1-4 圖所示。
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