多自由度气动人工肌肉机械手指结构设计及控制

发布时间：2017-07-03 15:03

  本文关键词：多自由度气动人工肌肉机械手指结构设计及控制

  更多相关文章： 气动人工肌肉 机械手 气动回路 运动控制 关节实验

【摘要】：随着工业机械化和自动智能化的发展,各个领域都取得的很大的进步,其中机器人的设计研究成为热门,并不断取得突破。机器人主要可以分为工业机器人和仿生机器人,机器人已经从最初的工业领域扩展到医疗康复业、服务业、农业等各个领域,即将普及于每个家庭。本文研究的是气动机械手,相比于一般机器人,气动机械手是由一种新型的具有柔顺性好、安全性高、重量/功率比大、工作简单、动作平滑的仿生学执行结构—气动人工肌肉驱动的。气动人工肌肉被广泛应用于仿生、专业医疗康复训练、服务等相关机器人领域,在此背景下,有关气动人工肌肉的相关研究深受研究人员青睐。本文将气动人工肌肉作为执行机构,根据人手结构特点及运动特点,设计了一种多自由度气动人工肌肉机械手,整个机械手包括四个结构相同的手指、一个大拇指、一个手掌。每个手指具有三个自由度,由三个关节和多个配件组成。气动人工肌肉通过钢丝绳拉动滑轮,从而带动关节转动,实现仿人手功能,具有良好的仿生性。本文的主要工作如下:分析人手结构及运动,利用三维建模UG软件设计了多自由度气动人工肌肉机械手。整个机械手的尺寸是人手基本尺寸的1.5倍,其结构包括:大拇指、手指、手掌。以食指为对象,对手指进行了运动学正解、逆解分析。根据分析结果,利用MATLAB得到了手指指尖的运动范围。每根手指的三个自由度分别为:手指近指节屈伸转动范围为0~80°,中指节为0~90°,远指节为0~60°。依据气动回路工作原理和硬件控制原理,进行了气动回路的设计、气动元件和硬件的选型,并分析了机械手指单关节的运动控制原理及控制方法,对控制界面的软件实现进行了编辑设计。搭建了气动人工肌肉机械手整个实验台,利用控制界面进行机械手指单关节跟踪响应实验和机械手指各关节实验,得到各关节运动范围,验证机械手结构的合理性以及机械手的仿生性和柔顺性。
【关键词】：气动人工肌肉 机械手 气动回路 运动控制 关节实验
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH138;TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 气动人工肌肉的发展历史11-13
• 1.3 气动人工肌肉应用的国内外研究现状13-20
• 1.3.1 气动人工肌肉应用的国外研究现状13-18
• 1.3.2 气动人工肌肉应用的国内研究现状18-20
• 1.4 气动人工肌肉静特性模型及控制方法研究现状20-21
• 1.4.1 气动人工肌肉静特性模型20
• 1.4.2 气动人工肌肉驱动关节控制方法20-21
• 1.5 论文的主要研究内容21-22
• 第2章 气动人工肌肉机械手结构设计及运动学分析22-34
• 2.1 人手结构及运动分析22-23
• 2.2 气动人工肌肉机械手结构设计及运动仿真23-28
• 2.2.1 总体结构设计23
• 2.2.2 大拇指结构设计23-25
• 2.2.3 手指结构设计25-26
• 2.2.4 手掌结构设计26-27
• 2.2.5 机械手运动仿真27-28
• 2.3 手指的运动学分析28-33
• 2.3.1 手指的运动学正解分析29-31
• 2.3.2 手指的运动学逆解分析31-32
• 2.3.3 手指指尖运动范围32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 气动人工肌肉机械手气动回路设计34-41
• 3.1 气动回路设计及工作原理34-35
• 3.2 气动元件的选型35-39
• 3.2.1 气动人工肌肉35-38
• 3.2.2 气源及气动三联件38
• 3.2.3 电磁阀38-39
• 3.2.4 比例压力阀39
• 3.3 本章小结39-41
• 第4章 气动人工肌肉机械手指关节的控制方案41-56
• 4.1 硬件控制原理及选型41-43
• 4.1.1 硬件控制原理41
• 4.1.2 硬件的选型41-43
• 4.2 气动人工肌肉机械手指单关节的运动控制43-46
• 4.2.1 驱动单关节的数学模型43-45
• 4.2.2 驱动单关节的实验原理45-46
• 4.3 气动人工肌肉机械手指关节控制方法46-52
• 4.3.1 PID控制46-47
• 4.3.2 模糊PID控制47-52
• 4.4 气动人工肌肉机械手指多关节的控制界面52-55
• 4.4.1 多关节运动控制程序DA界面设计52-53
• 4.4.2 关节运动控制程序AD界面设计53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 气动人工肌肉机械手指的控制实验56-61
• 5.1 气动人工肌肉机械手指实验系统56-57
• 5.2 气动人工肌肉机械手指实验测试57-60
• 5.2.1 气动人工肌肉机械手指单关节跟踪响应实验57-58
• 5.2.2 气动人工肌肉机械手指各关节控制实验58-60
• 5.3 实验结论60-61
• 第6章 总结与展望61-63
• 6.1 总结61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士学位期间的研究成果69

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