水下外骨骼机器人动力学特性研究

发布时间：2019-11-28 04:00

【摘要】：利用外骨骼机器人提升单兵能力的方法自上世纪60年代起便有学者开始研究,50余年来已有颇丰的研究成果。水下外骨骼机器人定义为一种用于执行水下作业的可穿戴机械装置,将外骨骼机器人应用于水下以提升蛙人运动能力的方法在国内外还鲜有研究。本文主要围绕水下外骨骼机器人的动力学问题开展一系列的研究。采用D-H参数法和坐标系变换的基本原理建立了水下外骨骼机器人及其简化结构的坐标系描述,并推导了机器人所有连杆的D-H参数及两任意相邻坐标系的变换矩阵。为保证潜水员佩戴外骨骼机器人后具有良好的人机协调性,研究了人体标准自由泳运动姿态并获取了髋关节和膝关节的理想运动曲线,并以此作为水下外骨骼机器人的运动目标曲线。基于算法计算效率的角度阐述了使用牛顿-欧拉动力学迭代算法应用于水下外骨骼机器人的优势。依据机器人几何模型对腿部惯性张量进行了计算,依据牛顿-欧拉算法的外推迭代过程完成了对从机器人运动姿态到大腿、小腿连杆质心惯性力和惯性力矩转换的推导。着重考虑了机器人在水下的受力问题,对沿腿方向的压力分布形式进行了假设,并使用力等效法将打水的分布压力等效为加载到连杆末端的集中力和等效力矩。根据机器人运动姿态对脚蹼打水产生的动力进行了求解,并依据牛顿-欧拉算法的内推迭代过程计算出髋关节和膝关节所需的关节扭矩、功率及液压驱动力。基于所建立的动力学模型对机器人大腿小腿杆长对其动力学性能的影响进行了讨论,同时也探讨了为达到不同的水下前行速度机器人所需要的动力学参数的问题。利用Fluent动网格技术,对机器人腿部进行运动过程中液体压力分布的求解,结果表明沿腿方向的动压力分布符合动力学建模过程中对水流阻力分布的假设。利用多体动力学软件Adams对水下机器人动力学逆问题进行仿真,将动力学建模中关节角度函数作为输入,考虑等效的流体阻力对机器人的影响,获得关节扭矩仿真解。对比仿真结果与动力学模型计算结果,两者具有较高的拟合度。
【图文】：

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究与应用仅限于陆地，将其应用于水下领域国内外还鲜有研究。于浅水区域水兵来说，在水下复杂环境中作业时行动力和体力的限执行的重要因素。相比于执行陆地任务，水下作业环境对士兵要求作业时水的阻力较大，导致士兵体能消耗大，从而限制了很多水下如果能够将外骨骼机器人应用于水下，使士兵能够在水下具有更高么装备了水下外骨骼机器人的潜水员将能够完成更高难度的作业和外骨骼机器人应用于水下，研制水下环境所能够使用的外骨骼机器义。下外骨骼机器人定义为一种用于执行水下作业的可穿戴机械装置。水器的是，它具有人形结构并能够按照人体运动姿态进行运动，最潜水员下肢能量消耗，如图 1-1 所示。它既可以检测潜水员的运动水员运动意图，跟随人体运动，从而减少潜水员在水下的体能消耗远距离水下作业任务。也可以通过姿态规划，设计优化的水下运动人带动人体运动，从而提高潜水员的运动能力，，完成高强度高难度务。

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的过程中其动力学部分的研究必不可少。课题以“xx 项目”为依托，通过研究水下机器人的结构特性、运动学特性，为进一步研制适应水下环境应用的外骨骼机器人样机提供支撑内外研究历史及现状外骨骼机器人的国内外研究历史及现状外骨骼机器人的研究最早要追溯到 20 世纪 60 年代，美国通用电气奈尔大学在军方的支持下联合研制了世界上首款外骨骼机器人 Hard 1-2 所示。Hardiman 采用液压驱动，体积较为庞大，重量达 6man 系统并不稳定，是学者们对于外骨骼机器人的初探，其研究也并这个项目在研发中遇到的一系列问题引起了学者们的思考：机器人应、怎样保证人机协调性和舒适性等问题[4,5]。总体来说，Hardiman后来的外骨骼机器人研制工作打下了基础，在外骨骼机器人研究历远的意义。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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