8、低温操作机器人的综合设计

低温操作机器人的综合设计

1. 低温环境下的柔性铰链

在低温操作机器人的设计中，柔性铰链是关键部件之一。目前，低温环境条件对柔性铰链变形行为的影响尚未得到详细研究。基于Fowler和Henein的工作，开发了一种级联柔性铰链。这种铰链由钛合金TiAl6V4通过激光烧结制成，因为该材料在低温条件下具有优越的性能。初步研究表明，所开发的柔性铰链可实现最大30°的旋转角度（从中间位置向一个方向），即关节活动范围可达60°。这一关节活动范围对机器人的运动学构成了重大限制。

2. 工程方法与首个原型

2.1 结构选择

最初，平行结构的选择局限于一种变体：每个运动支链由一个垂直排列的线性驱动器和两个被动万向节组成，这代表了常见的线性Delta机器人结构。由于两个万向节的内外轴相互平行，可防止方向改变。该系统仅具有三个平移自由度，这对于低温保存过程中处理样品管是必需的。

2.2 尺寸综合

之前开发了一个Matlab工具，用于在有限空间内对这种特定结构进行尺寸综合。主要目标是从几何参数的可能组合集中确定参数集，使被动固态关节所需的关节角度范围最小。此外，还计算了被动关节的最佳安装角度，使关节从静止位置的偏转最小。同时，对确定的最优参数集进行了工作空间分析。

2.3 优化结果

分析表明，被动关节最大角度范围仅为46°的优化结构在被动关节中承受的应力最小，但存在第一类奇异点的风险。这类奇异点位于工作空间的边界，例如由单个连杆链的伸展位置引起。假设将万向节的倾斜角度预设为26°，可以避免第一类奇异点。此外，更大的倾斜角度有望减少所需的驱动力，从而使用更小、更具成本效益的驱动器。