發(fā)布時間：2020-11-20 14:04

　　 張拉機構(gòu)是一種由柔性繩和剛體桿組成的可變形機構(gòu),屬于一種非常靈活的多自由度欠驅(qū)動的柔性機構(gòu)。張拉機構(gòu)的種類有很多種,例如標(biāo)準(zhǔn)的三棱柱張拉機構(gòu),四桿張拉機構(gòu)等。張拉機構(gòu)的運動可以有兩種方式:蠕動和翻滾。蠕動的運動方式所有的類型的張拉機構(gòu)都可以實現(xiàn),即對接觸地面的節(jié)點進行特殊處理,使其在機構(gòu)交替變形的過程中可以蠕動前進。而翻滾的運動方式是張拉機構(gòu)更為自然的一種運動方式,且在環(huán)境適應(yīng)性和運動性能方面具有更多的優(yōu)勢。而六桿張拉機構(gòu)擁有接近于球形的外形,更適合做翻滾運動。除此之外,六桿張拉機構(gòu)自身能夠進行折疊以減少其占用空間,這也是張拉機構(gòu)相比傳統(tǒng)機構(gòu)的一個比較大的優(yōu)勢。對張拉機構(gòu)進行折疊處理后,更加便于存儲和運輸。因此,其在太空探索的過程中也有極高的應(yīng)用價值。本文以六桿張拉機構(gòu)為研究對象,首先進行了找形研究,對其構(gòu)型進行了數(shù)學(xué)描述,建立了六桿張拉機構(gòu)的拓撲圖;針對六桿張拉機構(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)動器;根據(jù)節(jié)點平衡方程建立了柔性人工肌肉的驅(qū)動性能參數(shù)和六桿張拉機構(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構(gòu)的滾動原理,給出了重力矩的定義并針對重力矩提出了六桿張拉機構(gòu)發(fā)生翻滾的臨界條件;并根據(jù)機構(gòu)拓撲圖進行了對機構(gòu)的滾動步態(tài)研究;完成了六桿張拉機構(gòu)的桿繩結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用了開源軟件NTRTsim對六桿張拉機構(gòu)進行仿真。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++來編程實現(xiàn)了六桿張拉機構(gòu)的建模,并對前述的找形問題結(jié)果進行了對比驗證;闡述了張拉機構(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)動繩模型仿真中,實現(xiàn)了平面型變形和捆束型變形的效果;作為二級張拉機構(gòu)在仿真環(huán)境中能夠達到18.5°的彎曲效果;確定了實現(xiàn)連續(xù)翻滾的驅(qū)動器控制時序,在NTRTsim軟件中完成了單步態(tài)仿真和連續(xù)翻滾仿真。設(shè)計實驗進行了六桿張拉機構(gòu)折疊變形和翻滾兩方面的驗證。首先是無源溫度控制折疊實驗的樣機制作和實驗臺搭建,使機構(gòu)達到了平面型折疊和捆束型折疊的預(yù)期效果,并對其進行了驅(qū)動負載性能測試和支撐性能測試,結(jié)果表明六桿張拉機構(gòu)在150℃時即可從156mm的高度狀態(tài)下折疊至平面,又可以在承載900g的負載時高度增加至201.38mm,承載重量是其自身重量的11.38倍;完成了主動溫度控制的六桿張拉機構(gòu)的驅(qū)動電路的設(shè)計和樣機制作,實現(xiàn)了六桿張拉機構(gòu)翻滾的開環(huán)控制,使其按照直線軌跡和拐彎軌跡進行翻滾。其直線翻滾一周需150s,單個拐彎角度為89°,相關(guān)成果為后續(xù)實現(xiàn)六桿張拉機構(gòu)翻滾運動的復(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卷繞的方向相同，這種人工肌肉在受熱時會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)計了一種通過電加熱和強制進行熱循環(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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本文編號：2891523