基于智能材料驱动的仿人手臂与手指的设计研究
本文关键词：基于智能材料驱动的仿人手臂与手指的设计研究
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【摘要】：本论文主要针对仿人手臂展开设计研究,仿人手臂包含少自由度拟人臂和14自由度灵巧手两部分。灵巧手是仿人手臂的末端执行机构,影响着手臂系统的灵巧程度、柔顺性以及精细操作的性能。因此,本论文以灵巧手的设计研究为重点。仿人手臂采用形状记忆合金丝和气动肌腱驱动,最终设计出的仿人手臂具有轻质,灵巧,柔顺等特点,能抓握0.5kg以内的日常物品,如水杯、饭卡、硬币等。运用运动数据采集系统采集了人体手臂的腕关节、肘关节和肩关节的运动数据,分析出各个关节的运动角度范围、常规运动时的最大角速度范围、以指导仿人手臂的设计。新型的轻质仿人灵巧手具有模块化、集成化、高功率重量比、柔顺性好等结构特点。灵巧手由五个手指和手掌组成,共14个自由度,手指的每个关节都有角度反馈,指尖具有压力反馈。由于采用的是钢丝绳传动,传动机构的效率高。仿人手臂抛弃了惯用的电机驱动,而选择了柔顺性好、高功率重量比的镍钛形状记忆合金和气动肌腱。形状记忆合金用来驱动灵巧手手指的各个关节,气动肌腱用来驱动腕关节和肘关节。针对采购的记忆合金和气动肌腱进行了相关的机械特性实验,验证了设计的合理性。并试制出仿人灵巧手样机,搭建了灵巧手验证平台,完成灵巧手抓握日常物品的测试。
【关键词】：仿人手臂 灵巧手 智能材料 形状记忆合金 气动肌腱
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：
- 摘要5-6
- ABSTRACT6-9
- 第1章 绪论9-19
- 1.1 课题研究背景和意义9
- 1.2 课题来源9-10
- 1.3 灵巧手的研究与进展10-14
- 1.3.1 灵巧手的发展历史10
- 1.3.2 灵巧手的研究现状10-14
- 1.4 机械臂的研究与进展14-16
- 1.4.1 机械臂的研究现状14-16
- 1.4.2 机械臂的发展需求16
- 1.5 智能材料概述16
- 1.6 气动肌腱的进展与应用16-17
- 1.7 本文的主要内容17-19
- 第2章 仿人手臂设计的理论分析19-32
- 2.1 人体手臂运动数据采集与分析19-22
- 2.1.1 人体手臂整体分析19
- 2.1.2 用VICON系统采集手臂运动数据19-22
- 2.2 仿人手臂的驱动选择22-26
- 2.3 灵巧手的运动学分析26-29
- 2.3.1 灵巧手的自由度配置及坐标系建立26-27
- 2.3.2 食指的正解及工作空间27-29
- 2.4 拟人臂的运动学分析29-31
- 2.4.1 拟人臂的自由度配置及坐标系建立29
- 2.4.2 拟人臂的正解及工作空间29-31
- 2.5 本章小结31-32
- 第3章 仿人手臂的机械结构设计与分析32-52
- 3.1 仿人手臂关键设计指标的制定32-37
- 3.1.1 灵巧手的设计指标32-36
- 3.1.2 拟人臂的设计指标36-37
- 3.2 灵巧手的机械结构设计37-43
- 3.2.1 标准件的选型设计37-39
- 3.2.2 食指的设计39-41
- 3.2.3 灵巧手的设计41-43
- 3.3 拟人臂的机械结构设计43-48
- 3.3.1 标准件的选型设计43-46
- 3.3.2 拟人臂的设计46-48
- 3.4 仿人手臂集成设计及关键零件的强度分析48-51
- 3.4.1 仿人手臂集成设计48-49
- 3.4.2 关键零件的强度分析49-51
- 3.5 本章小结51-52
- 第4章 SMA丝及气动肌腱的特性实验研究52-59
- 4.1 实验方案的制定52-54
- 4.1.1 SMA丝特性实验方案的制定52-53
- 4.1.2 气动肌腱特性实验方案的制定53-54
- 4.2 SMA丝特性分析与设计验证54-56
- 4.3 气动肌腱特性分析与设计验证56-58
- 4.4 本章小结58-59
- 第5章 样机试制与实验平台搭建59-70
- 5.1 零件的加工与装配59-64
- 5.2 实验平台搭建与调试64-66
- 5.2.1 实验平台的搭建64-66
- 5.2.2 实验平台的调试66
- 5.3 灵巧手抓握测试66-68
- 5.4 本章小结68-70
- 结论70-71
- 参考文献71-75
- 附录75-98
- 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果98-99
- 致谢99
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本文编号：644506
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