具有制动功能气动柔性手腕结构设计与力学性能研究
发布时间：2020-12-24 21:37
机械人手腕根据结构形式、驱动方式以及柔性程度主要分为串联手腕、并联手腕、电机驱动手腕、气液驱动手腕、刚性手腕和柔性手腕。目前多数机械手腕存在本体结构柔性差、人机共融安全性低、结构笨重等问题,严重制约了服务机器人的应用与发展。基于气动柔性关节的手腕,具有适应性强、柔顺性好、清洁无污染等特点,在服务机器人手臂上具有广泛的应用前景。本文针对柔性关节形变受负载影响大,位姿保持困难等问题,对气动柔性手腕驱动与制动机理,静力学、动力学性能,控制系统和运动控制策略展开了研究。研究了气动柔性手腕驱动与制动机理。以气动人工肌肉轴向驱动器为手腕驱动装置,通过驱动器轴向伸长变形推动手腕上端盖以制动器几何中心为原点进行转动,实现手腕仰俯、横摆等动作;研制了常开式球形制动器为手腕制动装置,解决了多方向空间制动问题,且具有调节制动力矩的功能,改变鼓形制动气囊工作气体压力,能够调节球座与保持架的运动阻力,改变手腕刚度,使其适应不同负载;建立了常开式球形制动器制动性能理论模型,并通过实验进行了验证,结果表明理论模型与实验相符,制动器制动力矩与气压呈正比。提出了环形截面轴向驱动器和内导向气动柔性轴向驱动器。分析了两种驱...
【文章来源】：北华大学吉林省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCHUNK第三代轻型机械臂
第1章绪论3图1.2MAHIExo1、MAHIExo2手腕康复设备图1.33-RPS并联机构3-RPS并联机构主要由3个直线驱动器、动平台和机架组成，如图1.3所示。3个直线驱动器上下两端分别通过球面副、转动副和机架、动平台相连，各直线驱动器相互配合，能够实现动平台X、Y两个方向的转动和Z方向上的移动[9-11]。德国KUKA公司研发的6自由度工业机械臂KR30-3，重复定位精度可达±0.06mm，其腕部（图1.4）以及驱动电机、减速器、齿轮、同步带等传动机构设计为中空结构，有效减轻了自身重量，具有单自由度回转功能。图1.4KUKAKR30-3机器人手腕图1.54R3-DOF喷涂机器人手腕河北工程大学韩景茹[12]等人提出了一种用于喷涂机器人的4R3DOF非球型手腕（图1.5）。该手腕具有4个关节，通过3个电机驱动齿轮实现各关节的相对转动，实现手腕在三维空间内的任意姿态。该手腕结构紧凑，且各关节均可实现360°旋转，工作空间较大，由于手腕质量较大，其存在动态性能较差的问题。图1.6为一款三主动驱动万向节手腕，由谢艳艳[13]等人设计并应用于服务机器人手臂中。该手腕主要由上、下半球，内、外万向节以及减速齿轮系组成，采用电机作为动力源，内外万向节配合实现手腕自转，上下半球的耦合运动可实现手腕的侧摆与俯仰，其特点是能实现大角度的自转，但其零件数目较多，结构复杂，外形尺寸较大。
第1章绪论3图1.2MAHIExo1、MAHIExo2手腕康复设备图1.33-RPS并联机构3-RPS并联机构主要由3个直线驱动器、动平台和机架组成，如图1.3所示。3个直线驱动器上下两端分别通过球面副、转动副和机架、动平台相连，各直线驱动器相互配合，能够实现动平台X、Y两个方向的转动和Z方向上的移动[9-11]。德国KUKA公司研发的6自由度工业机械臂KR30-3，重复定位精度可达±0.06mm，其腕部（图1.4）以及驱动电机、减速器、齿轮、同步带等传动机构设计为中空结构，有效减轻了自身重量，具有单自由度回转功能。图1.4KUKAKR30-3机器人手腕图1.54R3-DOF喷涂机器人手腕河北工程大学韩景茹[12]等人提出了一种用于喷涂机器人的4R3DOF非球型手腕（图1.5）。该手腕具有4个关节，通过3个电机驱动齿轮实现各关节的相对转动，实现手腕在三维空间内的任意姿态。该手腕结构紧凑，且各关节均可实现360°旋转，工作空间较大，由于手腕质量较大，其存在动态性能较差的问题。图1.6为一款三主动驱动万向节手腕，由谢艳艳[13]等人设计并应用于服务机器人手臂中。该手腕主要由上、下半球，内、外万向节以及减速齿轮系组成，采用电机作为动力源，内外万向节配合实现手腕自转，上下半球的耦合运动可实现手腕的侧摆与俯仰，其特点是能实现大角度的自转，但其零件数目较多，结构复杂，外形尺寸较大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]气动柔性轴向驱动器结构与特性研究[J]. 刘齐,孙国栋,耿德旭,赵云伟. 液压与气动. 2020(02)
[2]变结构参数下3-RPS并联机构性能分析[J]. 李小汝,黄娟,李兴慧. 机床与液压. 2019(20)
[3]空间关节弹性球形制动器结构优化设计[J]. 耿德旭,孙国栋,刘齐,刘洪波,赵云伟. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]不同白炭黑含量的交替多层硅橡胶的制备与力学性能研究[J]. 罗芳,贾亚兰,刘涛,张风顺,罗世凯,张先龙. 功能材料. 2019(05)
[5]气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验[J]. 赵云伟,耿德旭,刘晓敏,孙国栋. 农业机械学报. 2019(08)
[6]高效阻尼改性白炭黑的制备及改善硅橡胶阻尼性能研究[J]. 刘伯峥,张学忠,高希银,赵云峰,戴丽娜,张志杰,谢择民. 有机硅材料. 2018(05)
[7]基于过盈配合的曲轴减振器接触特性分析[J]. 杜祥冲,周宏根,曹利平,王红新,田桂中. 现代制造工程. 2018(06)
[8]气动空间弯曲关节动力学性能实验研究[J]. 赵云伟,耿德旭,刘晓敏,刘洪波. 机床与液压. 2017(23)
[9]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[J]. 张秀丽,夏旭. 北京交通大学学报. 2017(04)
[10]大中型工业机器人手腕的设计[J]. 龚仲华,龚晓雯. 机电工程. 2016(12)
博士论文
[1]仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计[D]. 张亮.燕山大学 2016
[2]薄膜材料鼓包装置的研制及力学性能表征[D]. 王子菡.湘潭大学 2012
[3]双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用[D]. 耿德旭.吉林大学 2011
[4]喷涂机器人连续3R斜交非球型手腕设计方法与实践[D]. 王战中.天津大学 2008
[5]气动肌肉驱动机器人手臂的设计与控制研究[D]. 卫玉芬.南京理工大学 2006
硕士论文
[1]汽车球铰有限元分析及过盈量优化设计[D]. 周威.浙江工业大学 2019
[2]4R 3-DOF喷涂机器人手腕关键技术的研究[D]. 韩景茹.河北工程大学 2018
[3]内胀式自锁油缸的有限元分析及应用研究[D]. 陈康.华南理工大学 2018
[4]二自由度串联机械臂与简易手抓力控制研究[D]. 汪双.西南科技大学 2017
[5]破拆机器人快捷液压手腕设计与仿真研究[D]. 李亮.安徽工业大学 2017
[6]高阻尼硅橡胶的制备与性能研究[D]. 张颖.山东大学 2016
[7]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[D]. 夏旭.北京交通大学 2016
[8]手、腕关节康复机器人的应用研究[D]. 李梦杰.华南理工大学 2016
[9]基于气动肌肉的可穿戴式外骨骼机械人研究[D]. 谷巍.东北大学 2015
[10]高品质6061铝合金成分优化及均匀化工艺研究[D]. 杨银.北京有色金属研究总院 2011
本文编号：2936352
【文章来源】：北华大学吉林省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCHUNK第三代轻型机械臂
第1章绪论3图1.2MAHIExo1、MAHIExo2手腕康复设备图1.33-RPS并联机构3-RPS并联机构主要由3个直线驱动器、动平台和机架组成，如图1.3所示。3个直线驱动器上下两端分别通过球面副、转动副和机架、动平台相连，各直线驱动器相互配合，能够实现动平台X、Y两个方向的转动和Z方向上的移动[9-11]。德国KUKA公司研发的6自由度工业机械臂KR30-3，重复定位精度可达±0.06mm，其腕部（图1.4）以及驱动电机、减速器、齿轮、同步带等传动机构设计为中空结构，有效减轻了自身重量，具有单自由度回转功能。图1.4KUKAKR30-3机器人手腕图1.54R3-DOF喷涂机器人手腕河北工程大学韩景茹[12]等人提出了一种用于喷涂机器人的4R3DOF非球型手腕（图1.5）。该手腕具有4个关节，通过3个电机驱动齿轮实现各关节的相对转动，实现手腕在三维空间内的任意姿态。该手腕结构紧凑，且各关节均可实现360°旋转，工作空间较大，由于手腕质量较大，其存在动态性能较差的问题。图1.6为一款三主动驱动万向节手腕，由谢艳艳[13]等人设计并应用于服务机器人手臂中。该手腕主要由上、下半球，内、外万向节以及减速齿轮系组成，采用电机作为动力源，内外万向节配合实现手腕自转，上下半球的耦合运动可实现手腕的侧摆与俯仰，其特点是能实现大角度的自转，但其零件数目较多，结构复杂，外形尺寸较大。
第1章绪论3图1.2MAHIExo1、MAHIExo2手腕康复设备图1.33-RPS并联机构3-RPS并联机构主要由3个直线驱动器、动平台和机架组成，如图1.3所示。3个直线驱动器上下两端分别通过球面副、转动副和机架、动平台相连，各直线驱动器相互配合，能够实现动平台X、Y两个方向的转动和Z方向上的移动[9-11]。德国KUKA公司研发的6自由度工业机械臂KR30-3，重复定位精度可达±0.06mm，其腕部（图1.4）以及驱动电机、减速器、齿轮、同步带等传动机构设计为中空结构，有效减轻了自身重量，具有单自由度回转功能。图1.4KUKAKR30-3机器人手腕图1.54R3-DOF喷涂机器人手腕河北工程大学韩景茹[12]等人提出了一种用于喷涂机器人的4R3DOF非球型手腕（图1.5）。该手腕具有4个关节，通过3个电机驱动齿轮实现各关节的相对转动，实现手腕在三维空间内的任意姿态。该手腕结构紧凑，且各关节均可实现360°旋转，工作空间较大，由于手腕质量较大，其存在动态性能较差的问题。图1.6为一款三主动驱动万向节手腕，由谢艳艳[13]等人设计并应用于服务机器人手臂中。该手腕主要由上、下半球，内、外万向节以及减速齿轮系组成，采用电机作为动力源，内外万向节配合实现手腕自转，上下半球的耦合运动可实现手腕的侧摆与俯仰，其特点是能实现大角度的自转，但其零件数目较多，结构复杂，外形尺寸较大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]气动柔性轴向驱动器结构与特性研究[J]. 刘齐,孙国栋,耿德旭,赵云伟. 液压与气动. 2020(02)
[2]变结构参数下3-RPS并联机构性能分析[J]. 李小汝,黄娟,李兴慧. 机床与液压. 2019(20)
[3]空间关节弹性球形制动器结构优化设计[J]. 耿德旭,孙国栋,刘齐,刘洪波,赵云伟. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]不同白炭黑含量的交替多层硅橡胶的制备与力学性能研究[J]. 罗芳,贾亚兰,刘涛,张风顺,罗世凯,张先龙. 功能材料. 2019(05)
[5]气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验[J]. 赵云伟,耿德旭,刘晓敏,孙国栋. 农业机械学报. 2019(08)
[6]高效阻尼改性白炭黑的制备及改善硅橡胶阻尼性能研究[J]. 刘伯峥,张学忠,高希银,赵云峰,戴丽娜,张志杰,谢择民. 有机硅材料. 2018(05)
[7]基于过盈配合的曲轴减振器接触特性分析[J]. 杜祥冲,周宏根,曹利平,王红新,田桂中. 现代制造工程. 2018(06)
[8]气动空间弯曲关节动力学性能实验研究[J]. 赵云伟,耿德旭,刘晓敏,刘洪波. 机床与液压. 2017(23)
[9]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[J]. 张秀丽,夏旭. 北京交通大学学报. 2017(04)
[10]大中型工业机器人手腕的设计[J]. 龚仲华,龚晓雯. 机电工程. 2016(12)
博士论文
[1]仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计[D]. 张亮.燕山大学 2016
[2]薄膜材料鼓包装置的研制及力学性能表征[D]. 王子菡.湘潭大学 2012
[3]双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用[D]. 耿德旭.吉林大学 2011
[4]喷涂机器人连续3R斜交非球型手腕设计方法与实践[D]. 王战中.天津大学 2008
[5]气动肌肉驱动机器人手臂的设计与控制研究[D]. 卫玉芬.南京理工大学 2006
硕士论文
[1]汽车球铰有限元分析及过盈量优化设计[D]. 周威.浙江工业大学 2019
[2]4R 3-DOF喷涂机器人手腕关键技术的研究[D]. 韩景茹.河北工程大学 2018
[3]内胀式自锁油缸的有限元分析及应用研究[D]. 陈康.华南理工大学 2018
[4]二自由度串联机械臂与简易手抓力控制研究[D]. 汪双.西南科技大学 2017
[5]破拆机器人快捷液压手腕设计与仿真研究[D]. 李亮.安徽工业大学 2017
[6]高阻尼硅橡胶的制备与性能研究[D]. 张颖.山东大学 2016
[7]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[D]. 夏旭.北京交通大学 2016
[8]手、腕关节康复机器人的应用研究[D]. 李梦杰.华南理工大学 2016
[9]基于气动肌肉的可穿戴式外骨骼机械人研究[D]. 谷巍.东北大学 2015
[10]高品质6061铝合金成分优化及均匀化工艺研究[D]. 杨银.北京有色金属研究总院 2011
本文编号：2936352
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