偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节研究

发布时间：2017-09-26 12:14

  本文关键词：偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节研究

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【摘要】：人形机器人是外形、结构、功能与人相似的一类智能型机器人。目前已成为机器人技术领域最活跃的分支之一。仿生关节是人形机器人本体结构的核心、实现功能的关键,其性能的好坏将直接影响着整个人形机器人性能及进一步扩展。本文以具有中心球面支链的、偏置输出、高次超静定(过约束)的3RRR+(S-P)新型三自由度球面并联仿生关节机构为研究对象,针对机构的位置、工作空间、静刚度、动力学等几个方面展开了系统研究。为人形机器人并联仿生关节进一步的设计与开发,提供了新思路和一定的理论基础。基于3-RRR原型机构的位置正反解,考虑与人体关节空间分布的一致性,确定了关节机构安装位姿参数,建立了人体与机构空间的映射关系,推导并获得新型3RRR+(S-P)仿生髋关节的位置正反解。并进行了数值计算与分析。在分析了人体中髋关节的位置、姿态、运动空间特征与新型3RRR+(S-P)机构关节的工作空间基础上,比照人体髋关节的工作空间,以机构关节的工作空间覆盖人体髋关节的实际运动空间为条件,确定了关节在人形机器人本体中的安装位姿参数。采用传统的拆杆法和小变形叠加原理,对高次超静定(过约束)3RRR+(S-P)型仿生髋关节机构进行了静刚度分析;通过数值计算得到机构的对角化刚度矩阵。与3RRR原型机构刚度进行比较分析发现:引入中心球面支链的3RRR+(S-P)机构线位移刚度得到较大加强,使线位移与角位移刚度比较均衡。证明了新型三自由度球面并联仿生关节机构可以满足实际。在分析3RRR+(S-P)机构各个构件的速度和能量基础上,建立了机构的拉格朗日逆向动力学模型,求得了平稳的驱动力矩表达式。通过数值计算获得了驱动力矩的曲线图,为关节机构控制提供理论支持。建立新型3RRR+(S-P)仿生髋关节的虚拟样机,并运用ADAMS对其进行运动学和动力学仿真。分析了外力与外力矩对引入中间球面副分支后的3RRR+(S-P)机构与3RRR原型机构的驱动力矩的影响。分析发现:外力对3RRR+(S-P)机构的驱动影响较小;在相同外载下,3RRR+(S-P)机构可以在更小驱动下实现相同的运动轨迹。证明了新型3RRR+(S-P)机构在动力学性能上更具有优势。
【关键词】：人形机器人 仿生髋关节 运动学 静刚度 动力学
【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】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 人形机器人概述12
• 1.2 人形机器人研究现状12-16
• 1.2.1 人形机器人国外现状12-15
• 1.2.2 人形机器人国内现状15-16
• 1.3 并联机构与人形机器人16-20
• 1.3.1 球面并联机器人17
• 1.3.2 人形机器人髋关节17-20
• 1.4 课题研究背景及意义20-21
• 1.5 论文的主要研究内容21-23
• 第2章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节运动学分析23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 仿生髋关节机构介绍23-25
• 2.2.1 仿生髋关节的描述23-24
• 2.2.2 坐标系建立24-25
• 2.3 仿生关节空间与机构空间的映射关系25-28
• 2.4 运动学反解28-30
• 2.4.1 3RRR原型机构的反解28
• 2.4.2 3RRR+(S-P)型仿生髋关节的运动学反解28-30
• 2.5 运动学正解30-31
• 2.5.1 3RRR原型机构的正解30-31
• 2.5.2 3RRR+(S-P)型仿生髋关节的运动学正解31
• 2.6 正反解数值验证31-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第3章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节工作空间分析34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 人体中的髋关节34-38
• 3.2.1 人体中的髋关节结构34-35
• 3.2.2 人体骨盆结构35-36
• 3.2.3 人体中的髋关节的运动36-38
• 3.3 仿生髋关节的奇异性和工空间38-45
• 3.3.1 仿生髋关节的奇异性38-40
• 3.3.2 约束分析40-42
• 3.3.3 工作空间计算42-45
• 3.4 人体工作空间和机构工作空间的比较45-50
• 3.4.1 机构在人体中的安装定位a_0、b_0、g_045-46
• 3.4.2 人体髋关节运动所需的机构姿态角46-49
• 3.4.3 干涉分析49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节静刚度分析51-68
• 4.1 引言51
• 4.2 球心点线位移与输出杆的角位移51-60
• 4.2.1 假设条件51-52
• 4.2.2 动平台和输出杆的力分析52-54
• 4.2.3 第i条支链下弯弧杆的变形54-56
• 4.2.4 第i条支链上弯弧杆的变形56-57
• 4.2.5 中间支链下连杆的变形57-58
• 4.2.6 球心点线位移与输出杆的角位移58-60
• 4.3 静刚度矩阵60-65
• 4.3.1 3RRR+(S-P)的静刚度矩阵60-64
• 4.3.2 3RRR+(S-P)的主刚度和主刚度方向64-65
• 4.4 静刚度数值算例65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第5章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节动力学分析68-84
• 5.1 引言68
• 5.2 仿生髋关节的速度和加速度68-71
• 5.2.1 速度分析68-70
• 5.2.2 加速度分析70-71
• 5.3 仿生髋关节的各构件的能量71-79
• 5.3.1 下弯弧杆的能量71-73
• 5.3.2 上弯弧杆的能量73-74
• 5.3.3 动平台的能量74-76
• 5.3.4 偏置输出杆的能量76-78
• 5.3.5 U槽的能量78-79
• 5.4 仿生髋关节动力学建模79-83
• 5.4.1 动力学模型79-80
• 5.4.2 动力学求解80-83
• 5.5 本章小结83-84
• 第6章 仿生髋关节运动学和动力学仿真84-92
• 6.1 引言84-85
• 6.2 虚拟样机模型85-86
• 6.3 运动学仿真86-88
• 6.3.1 采集人体髋关节运动数据86-87
• 6.3.2 运动学仿真87-88
• 6.4 动力学仿真88-91
• 6.4.1 动力学仿真88-90
• 6.4.2 中间支链对机构驱动影响90-91
• 6.5 本章小结91-92
• 结论92-94
• 参考文献94-99
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要研究成果99-100
• 致谢100

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本文编号：923435