仿人机器人混联三自由度躯干设计

发布时间：2017-05-03 22:06

  本文关键词：仿人机器人混联三自由度躯干设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：仿人机器人能够使用人类的工具,容易适应人类的生活和工作环境,具有广泛的应用前景。推动仿人机器人在灾难救援、危险工作、公共服务等方面的应用,需要提高仿人机器人对复杂环境的适应性。仿人机器人需要具备多模态运动及转换能力,完成多种作业任务的能力,以及应对意外情况下的摔倒。而仿人机器人躯干在这几方面都具有重要的作用。本文主要开展仿人机器人躯干的研究,通过合理的机构设计,满足躯干设计的多项性能要求;通过抗冲击保护结构设计,提高机器人应对摔倒等外部冲击的能力,保障机器人的安全。本文首先调研了国内外仿人机器人及躯干的研究现状,并对人体躯干的结构及运动机理进行研究,分析了仿人机器人的简易模型及躯干的设计要求,为仿人机器人的躯干设计奠定基础。其次,提出了三自由度混联机构的躯干设计,由单自由度的串联机构和二自由度的并联差分机构组成。对设计的机构进行了运动学分析。对躯干的结构尺寸参数进行了优化设计,建立了优化数学模型,选择遗传算法进行优化,使用Matlab遗传算法工具箱完成优化计算,优化结果达到设计目标要求。接着对躯干的工作空间进行分析,并对优化结果的工作空间进行求解。再次,对仿人机器人躯干进行了结构设计,完成了胸腔及髋腰的机械结构设计、机电一体化关节设计、直线驱动机构设计、外部缓冲保护结构设计、电气系统保护结构设计,并对设计的髋腰部缓冲保护结构进行有限元分析。最后,基于ADAMS动力学软件进行了躯干的动力学仿真,先分析了改进型的梯形加速度曲线的运动轨迹规划方法,接着对仿人机器人躯干进行俯仰和滚转的运动仿真,验证了躯干机构设计的可行性;通过躯干自由落体运动进行抗冲击仿真,验证了躯干结构的抗冲击性。
【关键词】：仿人机器人 躯干设计 混联机构 抗冲击保护
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 仿人机器人的研究现状10-16
• 1.3 仿人机器人躯干的研究现状16-18
• 1.4 本文主要研究内容18-20
• 第2章 仿人机器人躯干的构型设计20-28
• 2.1 概述20
• 2.2 人体躯干运动机理研究20-23
• 2.3 机器人躯干的设计需求分析23-25
• 2.4 机器人躯干的构型设计25-27
• 2.5 小结27-28
• 第3章 仿人机器人躯干的运动学分析及优化28-44
• 3.1 概述28
• 3.2 运动学建模与分析28-34
• 3.2.1 运动学模型的建立29-30
• 3.2.2 运动学位置反解30-32
• 3.2.3 运动学位置正解32-34
• 3.3 并联机构的优化设计34-43
• 3.3.1 优化问题的数学模型34-36
• 3.3.2 遗传算法介绍36-38
• 3.3.3 优化过程及结果38-40
• 3.3.4 工作空间分析40-43
• 3.4 小结43-44
• 第4章 仿人机器人躯干的结构设计与分析44-59
• 4.1 概述44
• 4.2 机器人躯干的结构设计44-53
• 4.2.1 驱动系统的选择44-45
• 4.2.2 整体结构设计45-47
• 4.2.3 胸腔结构设计47-48
• 4.2.4 髋腰结构设计48-53
• 4.3 机器人躯干的抗冲击结构设计53-58
• 4.3.1 外部保护结构设计53-56
• 4.3.2 电气保护结构设计56-58
• 4.4 小结58-59
• 第5章 基于虚拟样机的动力学仿真59-69
• 5.1 概述59
• 5.2 仿真平台构建59-61
• 5.2.1 虚拟样机技术59-60
• 5.2.2 机械建模与参数设置60-61
• 5.3 运动轨迹规划61-63
• 5.4 运动仿真及分析63-68
• 5.4.1 俯仰运动仿真63-65
• 5.4.2 滚转运动仿真65-67
• 5.4.3 抗冲击仿真与分析67-68
• 5.5 小结68-69
• 结论与展望69-71
• 参考文献71-76
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单76-77
• 致谢77

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