摘要
受象鼻、章鱼臂和舌头等肌肉结构的启发，基于仿生学开发的软体机械臂可以沿其结构的任何点延伸，收缩和弯曲。与刚性机械臂相比，具有高柔顺性、复杂环境适应性及人机安全交互性等特点。为了发挥其良好的性能，软体机械臂必须准确可靠地运动。为此，准确且计算高效的动态模型至关重要，而这离不开运动学与动力学的建模与仿真分析。本文以一类具有常曲率弯曲与伸长能力的软体机械臂为研究对象，采用一种模态方法对软体机械臂的运动学与动力学进行研究。研究主要围绕以下几个方面展开： 首先，针对平面软体机械臂的运动学问题进行研究。为避免分段常曲率方法固有的奇异性与复杂的非线性，使用一种模态方法建立具有单个单元的软体机械臂运动学方程，并分析该方法的精度和优势以及运动学特性。在单个单元的模态运动学基础上推导具有多个单元的软体机械臂运动学方程，进一步分析含有多单元软体机械臂的运动学特性。 接着，针对空间软体机械臂的运动学问题进行研究。在使用模态方法对平面软体机械臂运动学分析的基础上，先建立单个单元的空间软体机械臂的模态运动学模型，对其运动特点进行详细分析，在此基础上，建立了多单元空间软体机械臂模态运动学。 然后，针对多单元平面和空间软体机械臂的运动规划问题进行研究。对于平面运动规划问题，分别使用一种分布式运动规划算法和粒子群算法进行研究，并比较二者的优缺点。针对空间运动规划问题，使用了粒子群算法进行研究，并分别对两种运动规划算法的有效性使用不同的数值仿真算例进行了模拟，仿真结果表明了两种运动规划算法针对不同维度问题的有效性。 最后，针对空间软体机械臂动力学特性进行研究。使用第二类拉格朗日方程建立软体机械臂的动力学方程，在求解系统的质量矩阵过程中，首先将软体机械臂视为具有均匀分布质量的连续体。然后提出一种基于质心的等效集中质量动力学模型，该模型将集中质量放置在与软体机械臂能量匹配的位置(质心)。通过数值算例对两种动力学模型的计算精度和效率进行比较，结果表明该模型兼顾了采用连续分布质量进行拉格朗日方法分析时的准确性，以及采用集中质量模型分析时的计算高效性。
NETL