3-RSS/S并联机器人结构设计与分析
发布时间:2021-03-23 12:06
并联机器人是目前机器人研究领域的热点之一,逐渐被应用到医学康复领域,辅助患者进行康复训练。本文针对人体动态平衡训练问题,提出一种可满足其需求的3-RSS/S型并联机器人运动平台结构设计,并对其构型、力学特性以及运动学、动力学进行了分析建模与仿真。本文研究的主要内容如下:(1)阐述了人体形态结构以及平衡功能维持机制。从人体解剖学角度,介绍了人体下肢的骨骼和肌肉分布情况,以及人体平衡功能维持机制和评定方法。(2)设计了3-RSS/S并联机器人的结构,并进行力学分析。根据并联机器人工作需求,利用SOLIDWORKS软件设计机械结构三维模型,将模型导入有限元分析软件MSC.PATRAN中,结合实际工况对并联机器人进行模态分析以及应力分析,得到模态振型以及最大应力分布位置,验证结构设计的合理性以及可靠性。(3)对3-RSS/S并联机器人进行了运动学和动力学建模。根据该机构构型,对自由度进行了计算。然后建立坐标系,得到齐次坐标变换方程和各关节点坐标,进而结合支链杆长约束方程,对3-RSS/S并联机器人运动学逆解进行求解,最后得到输入输出之间的逆运动学表达式。在此基础上,采用拉格朗日方法,对并联机器...
【文章来源】:长春大学吉林省
【文章页数】:69 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
Gwinnett并联娱乐机构
2设计、静力学分析、运动学及动力学建模与仿真等方面进行相关研究,为并联机器人的结构设计、开发及相应控制策略与控制算法的开发奠定理论基矗1.3并联机器人国内外研究现状并联机器人具有刚度好、速度快、重量轻、承载力大等优点。随着科技的发展,并联机器人的应用越来越广泛,主要应用于食品、电子、军事、生物医学工程等领域,如包装分拣机器人、坦克驾驶运动模拟器、细胞操作机器人、踝关节康复机器人等。1.3.1国外研究现状纵观并联机构的发展,最早出现的是1931年Gwinnett提出的球面并联机构,该并联机构作为娱乐装置,主要用于电影院中座椅位姿的变换[3],如图1-1所示。随后,1940年美国工程师Pollard[4,5]提出了一种用于汽车喷漆的空间并联机构,如图1-2所示。1947年,Gough[6]提出一种测试飞机轮胎的八面体六足结构,如图1-3所示。1965年,Stewart对Gough提出的并联机构进行了研究与改进,首次提出了一种六自由度飞行模拟器[7],如图1-4所示,即目前应用最广的Gough-Stewart六自由度并联机构,如图1-5所示。在此基础上,1978年澳大利亚Hunt教授提出了一种六自由度并联机构,并将其作为机器人操作器使用[8];随后,Mccallino[9~10]等人首次设计出了可在一种能完成校准任务的并联机器人,自此并联机器人的研究的序幕正式拉开,少自由度并联机构的研究也逐渐成为并联机器人领域的研究热点,三自由度并联机器人结构作为少自由度并联机器人研究的重要分支之一,与传统六自由度并联机器人结构相比具备结构更简单、运动更灵敏、制造成本相对更低等优点[11]。图1-1Gwinnett并联娱乐机构图1-2Pollard并联机构
3图1-3Gough八面体六足并联机构图1-4Stewart六自由度飞行模拟器1983年,Hunt利用螺旋理论分析了不同取值下的机构构型,首次提出三自由度空间并联3-PRS机构[12],并对该机构运动学展开研究。1985年,Gosselin[13~14]对球面并联机构运动学等进行了系统的研究分析。1988年,Lee[15]讨论了3-PRS机构的位置解。1985年,法国Clavel教授提出一种三自由度空间并联机构DELTA[16~17],如图1-6所示,该机构因基座平台和动平台均为三角形而得名,可实现三个方向移动。克服了传统三自由度并联机器人的不足,具有解耦度高、控制简单等优点。1993年,FattahA[18]采用拉格朗日方法对3-RRS并联机器人动力学进行了研究。1996年,CodoureyA[19]应用虚功原理对Delta机构动力学进行了研究。同年,美国学者Tsai[20~23]提出了一种三自由度3-UPU三维移动机构,对其位置进行分析,并在1999年对3-RPS并联机器人的位置正解进行了研究。图1-5Gough-Stewart机构图1-6Delta机器人
【参考文献】:
期刊论文
[1]基于足底压力中心和脑肌电相干性特征的人体平衡能力评估方法[J]. 金晟,罗志增,严志华. 航天医学与医学工程. 2020(01)
[2]新型三自由度微操作平台的动力学性能研究[J]. 李杨民,李祥春,徐洪业,丁冰晓. 机械设计与制造. 2019(12)
[3]中国社区平衡功能障碍评定与康复治疗技术专家共识[J]. 中国老年保健医学. 2019(04)
[4]功能性踝关节不稳者的动态平衡能力研究[J]. 毛宁慧,王平. 武术研究. 2018(11)
[5]一种三自由度并联平台运动学研究[J]. 卢今伟,张雷,苏东风. 现代机械. 2018(04)
[6]新型3-PSS并联机器人动力学建模及仿真[J]. 胡如方,李庆,徐亮. 新乡学院学报. 2017(09)
[7]脑卒中患者平衡功能评定和康复训练研究进展[J]. 张萍,杨宇. 中国康复. 2016(06)
[8]BIODEX动静态平衡训练仪对脑卒中偏瘫患者平衡功能和步行能力恢复的影响[J]. 司徒杏仙,王玉龙,潘巍一,王尧,魏伟峰. 安徽医药. 2015(10)
[9]3-RSS/S并联机构的静力学分析与实验研究[J]. 路光达,张爱梅,周静,崔世刚,赵丽. 机械设计. 2013(03)
[10]应用Tetrax平衡测试与训练系统改善脊髓损伤患者平衡功能的临床观察[J]. 刘奕,徐贞杰,潘科,石卫华,尚青龙,徐立新. 重庆医学. 2013(04)
硕士论文
[1]空间机器人腕关节的结构设计与运动控制研究[D]. 陈洋.北京邮电大学 2019
[2]并联机构运动平衡台的设计[D]. 王琰.河北大学 2016
[3]3自由度Delta并联机器人动静态特性分析与优化[D]. 孙旭.辽宁工程技术大学 2015
[4]3-RSR并联机器人运动学和动力学建模及仿真[D]. 陈文凯.华东交通大学 2006
[5]并联式踝关节康复机器人系统设计[D]. 于海波.燕山大学 2006
[6]可重组模块化并联微动机器人的研究[D]. 周红秀.河北工业大学 2004
本文编号:3095761
【文章来源】:长春大学吉林省
【文章页数】:69 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
Gwinnett并联娱乐机构
2设计、静力学分析、运动学及动力学建模与仿真等方面进行相关研究,为并联机器人的结构设计、开发及相应控制策略与控制算法的开发奠定理论基矗1.3并联机器人国内外研究现状并联机器人具有刚度好、速度快、重量轻、承载力大等优点。随着科技的发展,并联机器人的应用越来越广泛,主要应用于食品、电子、军事、生物医学工程等领域,如包装分拣机器人、坦克驾驶运动模拟器、细胞操作机器人、踝关节康复机器人等。1.3.1国外研究现状纵观并联机构的发展,最早出现的是1931年Gwinnett提出的球面并联机构,该并联机构作为娱乐装置,主要用于电影院中座椅位姿的变换[3],如图1-1所示。随后,1940年美国工程师Pollard[4,5]提出了一种用于汽车喷漆的空间并联机构,如图1-2所示。1947年,Gough[6]提出一种测试飞机轮胎的八面体六足结构,如图1-3所示。1965年,Stewart对Gough提出的并联机构进行了研究与改进,首次提出了一种六自由度飞行模拟器[7],如图1-4所示,即目前应用最广的Gough-Stewart六自由度并联机构,如图1-5所示。在此基础上,1978年澳大利亚Hunt教授提出了一种六自由度并联机构,并将其作为机器人操作器使用[8];随后,Mccallino[9~10]等人首次设计出了可在一种能完成校准任务的并联机器人,自此并联机器人的研究的序幕正式拉开,少自由度并联机构的研究也逐渐成为并联机器人领域的研究热点,三自由度并联机器人结构作为少自由度并联机器人研究的重要分支之一,与传统六自由度并联机器人结构相比具备结构更简单、运动更灵敏、制造成本相对更低等优点[11]。图1-1Gwinnett并联娱乐机构图1-2Pollard并联机构
3图1-3Gough八面体六足并联机构图1-4Stewart六自由度飞行模拟器1983年,Hunt利用螺旋理论分析了不同取值下的机构构型,首次提出三自由度空间并联3-PRS机构[12],并对该机构运动学展开研究。1985年,Gosselin[13~14]对球面并联机构运动学等进行了系统的研究分析。1988年,Lee[15]讨论了3-PRS机构的位置解。1985年,法国Clavel教授提出一种三自由度空间并联机构DELTA[16~17],如图1-6所示,该机构因基座平台和动平台均为三角形而得名,可实现三个方向移动。克服了传统三自由度并联机器人的不足,具有解耦度高、控制简单等优点。1993年,FattahA[18]采用拉格朗日方法对3-RRS并联机器人动力学进行了研究。1996年,CodoureyA[19]应用虚功原理对Delta机构动力学进行了研究。同年,美国学者Tsai[20~23]提出了一种三自由度3-UPU三维移动机构,对其位置进行分析,并在1999年对3-RPS并联机器人的位置正解进行了研究。图1-5Gough-Stewart机构图1-6Delta机器人
【参考文献】:
期刊论文
[1]基于足底压力中心和脑肌电相干性特征的人体平衡能力评估方法[J]. 金晟,罗志增,严志华. 航天医学与医学工程. 2020(01)
[2]新型三自由度微操作平台的动力学性能研究[J]. 李杨民,李祥春,徐洪业,丁冰晓. 机械设计与制造. 2019(12)
[3]中国社区平衡功能障碍评定与康复治疗技术专家共识[J]. 中国老年保健医学. 2019(04)
[4]功能性踝关节不稳者的动态平衡能力研究[J]. 毛宁慧,王平. 武术研究. 2018(11)
[5]一种三自由度并联平台运动学研究[J]. 卢今伟,张雷,苏东风. 现代机械. 2018(04)
[6]新型3-PSS并联机器人动力学建模及仿真[J]. 胡如方,李庆,徐亮. 新乡学院学报. 2017(09)
[7]脑卒中患者平衡功能评定和康复训练研究进展[J]. 张萍,杨宇. 中国康复. 2016(06)
[8]BIODEX动静态平衡训练仪对脑卒中偏瘫患者平衡功能和步行能力恢复的影响[J]. 司徒杏仙,王玉龙,潘巍一,王尧,魏伟峰. 安徽医药. 2015(10)
[9]3-RSS/S并联机构的静力学分析与实验研究[J]. 路光达,张爱梅,周静,崔世刚,赵丽. 机械设计. 2013(03)
[10]应用Tetrax平衡测试与训练系统改善脊髓损伤患者平衡功能的临床观察[J]. 刘奕,徐贞杰,潘科,石卫华,尚青龙,徐立新. 重庆医学. 2013(04)
硕士论文
[1]空间机器人腕关节的结构设计与运动控制研究[D]. 陈洋.北京邮电大学 2019
[2]并联机构运动平衡台的设计[D]. 王琰.河北大学 2016
[3]3自由度Delta并联机器人动静态特性分析与优化[D]. 孙旭.辽宁工程技术大学 2015
[4]3-RSR并联机器人运动学和动力学建模及仿真[D]. 陈文凯.华东交通大学 2006
[5]并联式踝关节康复机器人系统设计[D]. 于海波.燕山大学 2006
[6]可重组模块化并联微动机器人的研究[D]. 周红秀.河北工业大学 2004
本文编号:3095761
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