吉林長春理工大學機電工程學院　盛龍　楊柳

蛇形機械手臂模型的運動分析

吉林長春理工大學機電工程學院盛龍楊柳

蛇形手臂機器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點，結(jié)構上連續(xù)，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復雜地形上行走，并可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走機構的機器人難以做到的。因此，它能有效、迅速、可靠地應用于許多工作。本文提出一種獨特的雙驅(qū)動加上纜繩張力不變的設計方法，該設計有很大的彎曲靈活性，推出了實現(xiàn)此設計的運動模型。

蛇臂；運動狀態(tài)；纜繩

1引言

由于自然災害如地震、恐怖活動等原因，在世界各地，災難經(jīng)常發(fā)生。在災難救援中，救援人員只有非常短的時間在倒塌的樓房廢墟中尋找幸存者。在這種危險環(huán)境下，機器人技術可以為救援人員提供幫助，而且機器人的靈活性受到考驗，設計成蛇形手臂的機器人由于其具有多關節(jié)、多自由度、多冗余自由度等特點，可以形成多種運動模式，非常適用于在復雜環(huán)境中，如可在有輻射、有粉塵、有毒及倒塌建筑物環(huán)境下進行搜救、偵查、排除爆炸物等搶險救災任務，因此實用性很強。

2運動模型

圖1　（a）蛇形手臂的全視圖?。╞）手臂的一部分

蛇形手臂包括圓盤、驅(qū)動纜繩、關節(jié)、剛性桿。圓盤通過兼容性關節(jié)和纜繩相連接，依靠驅(qū)動纜繩產(chǎn)生的扭矩，手臂進而彎曲。該設計能使手臂獲得一個比較均勻的彎曲狀態(tài)。

3運動模型分析

3.1運動分析正解

運動分析正解的目的就是確定蛇臂頂端的位置，整個蛇臂的運動取決于一段的運動，取蛇臂的一段進行分析，如圖2，O1和O2是兩個關節(jié)的樞軸點，分別在兩個點建立坐標系

圖2　蛇臂一部分的運動模型：（a）全視圖；（b）彎曲截面圖

由此我們可以對蛇臂的一部分進行定位。

3.2運動分析反解

反解運動分析的目的就是為了達到需要的蛇臂狀態(tài)的纜繩長度。反解分析分為兩步：首先通過給定的方位角和彎曲角，獲得上端的固定點Bi，然后每束纜繩的長度可以通過向量的大小得到。

參考圖2，由向量方程每束纜繩可以表示如下：

圖3　蛇臂的形態(tài)

這種情況是考慮蛇臂在彎曲的時候沒有額外的伸長得到的。

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