摘要
连续型机器人是一种新型的机器人，相比传统机器人，具有柔顺性高、安全性好、避障能力强等特点，在救援、航空、水下、医疗等领域均有应用。现有的连续体机器人主要分为刚性连续体机器人与软连续体机器人，前者因其材料为刚性材料，存在安全性差等问题，后者因其材料为软材料，存在刚度不足、负载能力不足、建模困难等问题。 张拉整体结构是一种由弹性元件通过一定规律将若干刚性元件互不接触的组合的自平衡结构，具有质量轻、对称性高、柔顺性好、刚度可调等优良特性。为了提高连续型机器人的刚度与灵活性，本文基于张拉整体结构设计连续型机器人，设计了两种张拉整体结构连续型机械臂，建立了其运动学模型，分析了机械臂的运动姿态，并通过实验验证了模型准确性及运动灵活性。 为了解决连续体机器人的刚度问题，将刚度可调的张拉整体结构引入连续体机械臂，设计了一种具有弯曲、扭转运动的连续体机械臂。该机械臂的单元体结构外形为四面体构型，单元体之间由周向分布的三根弹簧连接，该种连接方式使得该机械臂能在任意方向弯曲并且具有扭转功能。建立了该机械臂的运动学模型，实验验证了该模型的准确性。分析了单元间距、锥度等结构参数对机械臂运动性能的影响，得到了机械臂的最大弯曲角度、最大扭转角度、弯曲变化率、扭转变化率与单元间距、锥度等参数之间的关系。 提出了一种具有螺旋运动的新型张拉整体结构连续体机械臂，该机械臂单元体的纵向外形为凸型，横截面为半圆形，单元间由两条弹力绳对其约束，形成该机械臂的内外预紧力。采用D-H参数法建立该机械臂的运动学模型，实验验证了该模型的准确性。通过实验分析不同单元间距与预紧力的参数组合对机械臂运动性能的影响，得到了机械臂的最大螺旋角度、螺旋速率以及导程与单元间距、预紧力等结构参数的关系。 归纳分析不同的驱动组合下的两种张拉整体结构连续型机械臂的运动形态，采用实验验证所设计的机械臂具有多种运动形态。分析了自身重力对其运动形态的影响，提出采用调节驱动方式和预紧力来控制机械臂的运动形态。结合两种机械臂的运动形态，以四面体张拉整体结构连续体为机械臂，凸型张拉整体结构连续体为抓手，实现了一种纯张拉整体结构连续体机械手。分析了该机械手的可能运动形态，实验表明该机械手能抓各种不同形态的物体，说明其能实现多种不同的抓握形态。
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