新型柔性连接的球头关节设计方法研究
发布时间：2021-10-25 04:02
随着机器人技术和仿生学的发展,学者对仿生机器人的研究越来越重视。而在仿生机器人的研究过程中,关节作为其滑动转动及摆动的关键部件,因灵活、紧凑、运动范围大、刚度较高等特点,被广泛应用于机器人等高端领域。本文以一种新型柔性连接的球头关节为研究对象,旨在研究其结构、运动特性、受力特性以及机构疲劳。具体工作内容如下:首先,参考人工置换关节的思路,将刚性的球头关节本体和柔性的人工肌肉相结合,提出一种新型柔性连接的球头关节机构。并对关节的装配结构、参数及材料进行了研究,理论分析了柔性的人工肌肉的轴向拉力与伸长量的关系、弯曲力矩与角度的关系、扭转力矩与角度的关系。然后,利用有限元软件对关节静力学下的特征进行了分析,研究了关节摆动力矩与摆角的关系,并验证性分析了人工肌肉弯曲的推导;之后研究了不同力矩下弹簧芯直径与橡胶囊壁厚的增加对关节摆动角度的影响,并总结规律;最后探究了关节在准静态下的极限摆角和极限力矩。进而,进一步对关节进行动力学加载,对关节的动力学特性进行了分析。研究了关节的固有特性,分析了橡胶囊壁厚对人工肌肉的减振效果以及关节在预应力下的固有频率和振型;然后分析了关节在稳态激励和冲击载荷作用下...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
球头关节在医疗中的应用除了人体置换关节，球头关节还可应用在许多高灵活的并联机构中
燕山大学工学硕士学位论文-2-图1-2带球头关节的并联机器人但是，随着人们对关节柔性提出的更高的要求，目前传统的关节已经远远不能满足人们的需求。而柔性关节理论研究和应用的滞后,以及随着机器人系统对关节更柔性化的需求，急需探索出提高关节柔性的方法或开发出具有较好柔性的新型关节，并将其应用到工程领域[3-4]。本文的主要工作是在球头关节连接的基础上，仿照人工置换关节中球头关节，研究一种用于仿生机器人足部、膝部或髋部的新型柔性连接的球头关节。研究该关节部件间的锥度锁定结构，柔性连接结构的成型工艺，柔性连接结构弯曲角度与关节的摆动角度的特点，准静态下的关节极限摆角及极限力矩，动态加载下的关节摆动及循环加载下的关节寿命等等。本课题研究的新型柔性连接的球头关节，主要应用于类似图1-3所示的多足仿生机器人的足部、膝部、髋部等。如图所示的是BionicANT蚂蚁仿生机器人，该机器人的质量虽然只有105克，但却可以承受超过自身重力很多倍的重物。当该关节应用于仿生机器人时，为了保证关节的承载性能及灵活性，参考人工置换关节的结构尺寸，关节的摆角需达到15°，能承受的力矩需达到500N·mm。因该关节的结构参考了人工置换关节，其加工制造较为方便。目前研究关节的基本问题，随着进一步的研究，在基本型的基础上，还可进行带偏角的关节的研究。图1-3可采用球头关节的机器蚂蚁
燕山大学工学硕士学位论文-2-图1-2带球头关节的并联机器人但是，随着人们对关节柔性提出的更高的要求，目前传统的关节已经远远不能满足人们的需求。而柔性关节理论研究和应用的滞后,以及随着机器人系统对关节更柔性化的需求，急需探索出提高关节柔性的方法或开发出具有较好柔性的新型关节，并将其应用到工程领域[3-4]。本文的主要工作是在球头关节连接的基础上，仿照人工置换关节中球头关节，研究一种用于仿生机器人足部、膝部或髋部的新型柔性连接的球头关节。研究该关节部件间的锥度锁定结构，柔性连接结构的成型工艺，柔性连接结构弯曲角度与关节的摆动角度的特点，准静态下的关节极限摆角及极限力矩，动态加载下的关节摆动及循环加载下的关节寿命等等。本课题研究的新型柔性连接的球头关节，主要应用于类似图1-3所示的多足仿生机器人的足部、膝部、髋部等。如图所示的是BionicANT蚂蚁仿生机器人，该机器人的质量虽然只有105克，但却可以承受超过自身重力很多倍的重物。当该关节应用于仿生机器人时，为了保证关节的承载性能及灵活性，参考人工置换关节的结构尺寸，关节的摆角需达到15°，能承受的力矩需达到500N·mm。因该关节的结构参考了人工置换关节，其加工制造较为方便。目前研究关节的基本问题，随着进一步的研究，在基本型的基础上，还可进行带偏角的关节的研究。图1-3可采用球头关节的机器蚂蚁
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的双侧果园开沟机机架模态分析与结构改进[J]. 施展,张衍林,李善军,王凤武,常钧翔. 华中农业大学学报. 2020(02)
[2]液压挖掘机工作装置结构瞬态动力学分析[J]. 李斌. 闽江学院学报. 2019(05)
[3]下肢外骨骼机器人踝关节混合柔性驱动设计与研究[J]. 李金良,郑伟,王德堂,于岩. 机床与液压. 2019(15)
[4]进浇口共振破断设备振动系统的谐响应分析[J]. 王东昌,钱炜,张杨,吴英亮. 农业装备与车辆工程. 2019(07)
[5]基于柔性多关节机器人的运动控制算法研究[J]. 燕楠. 长春工程学院学报(自然科学版). 2019(02)
[6]仿生柔性关节关键技术综述[J]. 李满宏,马艳悦,张明路. 机械设计. 2018(11)
[7]多层组合扭转弹簧扭矩分配算式优化及旋绕比选取原则的确定[J]. 孙绍帅. 南方农机. 2018(06)
[8]陶瓷髋关节球头与臼杯分离引起边缘负载的动力学仿真模拟[J]. 冯莉,王俊元,刘峰,成博. 中国组织工程研究. 2018(07)
[9]仿生机器人的发展与应用研究[J]. 崔新忠,常诚,缪新颖. 机器人技术与应用. 2017(04)
[10]考虑关节柔性的机器人动力学分析与仿真[J]. 范纪华,章定国,谌宏,方海峰. 计算机仿真. 2017(08)
博士论文
[1]桥梁高墩结构的运动稳定性及影响因素分析[D]. 吴荻.武汉理工大学 2013
[2]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
硕士论文
[1]动力刀架动力学特性分析与优化研究[D]. 李伟.东南大学 2016
[2]基于有限单元法的碳纤维增强单板层积材动力学仿真研究[D]. 刘海明.东北林业大学 2016
[3]航天精密机电组件高加速筛选试验模拟与仿真[D]. 马岩.西安电子科技大学 2014
[4]橡胶疲劳寿命的有限元分析研究[D]. 曹婷婷.华南理工大学 2014
[5]跨座式单轨交通平移式道岔静、动力学分析[D]. 李振华.北京交通大学 2010
[6]钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究[D]. 孙明星.兰州理工大学 2010
[7]基于液压驱动柔性机械手的仿真与分析[D]. 周安明.吉林大学 2009
本文编号：3456611
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
球头关节在医疗中的应用除了人体置换关节，球头关节还可应用在许多高灵活的并联机构中
燕山大学工学硕士学位论文-2-图1-2带球头关节的并联机器人但是，随着人们对关节柔性提出的更高的要求，目前传统的关节已经远远不能满足人们的需求。而柔性关节理论研究和应用的滞后,以及随着机器人系统对关节更柔性化的需求，急需探索出提高关节柔性的方法或开发出具有较好柔性的新型关节，并将其应用到工程领域[3-4]。本文的主要工作是在球头关节连接的基础上，仿照人工置换关节中球头关节，研究一种用于仿生机器人足部、膝部或髋部的新型柔性连接的球头关节。研究该关节部件间的锥度锁定结构，柔性连接结构的成型工艺，柔性连接结构弯曲角度与关节的摆动角度的特点，准静态下的关节极限摆角及极限力矩，动态加载下的关节摆动及循环加载下的关节寿命等等。本课题研究的新型柔性连接的球头关节，主要应用于类似图1-3所示的多足仿生机器人的足部、膝部、髋部等。如图所示的是BionicANT蚂蚁仿生机器人，该机器人的质量虽然只有105克，但却可以承受超过自身重力很多倍的重物。当该关节应用于仿生机器人时，为了保证关节的承载性能及灵活性，参考人工置换关节的结构尺寸，关节的摆角需达到15°，能承受的力矩需达到500N·mm。因该关节的结构参考了人工置换关节，其加工制造较为方便。目前研究关节的基本问题，随着进一步的研究，在基本型的基础上，还可进行带偏角的关节的研究。图1-3可采用球头关节的机器蚂蚁
燕山大学工学硕士学位论文-2-图1-2带球头关节的并联机器人但是，随着人们对关节柔性提出的更高的要求，目前传统的关节已经远远不能满足人们的需求。而柔性关节理论研究和应用的滞后,以及随着机器人系统对关节更柔性化的需求，急需探索出提高关节柔性的方法或开发出具有较好柔性的新型关节，并将其应用到工程领域[3-4]。本文的主要工作是在球头关节连接的基础上，仿照人工置换关节中球头关节，研究一种用于仿生机器人足部、膝部或髋部的新型柔性连接的球头关节。研究该关节部件间的锥度锁定结构，柔性连接结构的成型工艺，柔性连接结构弯曲角度与关节的摆动角度的特点，准静态下的关节极限摆角及极限力矩，动态加载下的关节摆动及循环加载下的关节寿命等等。本课题研究的新型柔性连接的球头关节，主要应用于类似图1-3所示的多足仿生机器人的足部、膝部、髋部等。如图所示的是BionicANT蚂蚁仿生机器人，该机器人的质量虽然只有105克，但却可以承受超过自身重力很多倍的重物。当该关节应用于仿生机器人时，为了保证关节的承载性能及灵活性，参考人工置换关节的结构尺寸，关节的摆角需达到15°，能承受的力矩需达到500N·mm。因该关节的结构参考了人工置换关节，其加工制造较为方便。目前研究关节的基本问题，随着进一步的研究，在基本型的基础上，还可进行带偏角的关节的研究。图1-3可采用球头关节的机器蚂蚁
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的双侧果园开沟机机架模态分析与结构改进[J]. 施展,张衍林,李善军,王凤武,常钧翔. 华中农业大学学报. 2020(02)
[2]液压挖掘机工作装置结构瞬态动力学分析[J]. 李斌. 闽江学院学报. 2019(05)
[3]下肢外骨骼机器人踝关节混合柔性驱动设计与研究[J]. 李金良,郑伟,王德堂,于岩. 机床与液压. 2019(15)
[4]进浇口共振破断设备振动系统的谐响应分析[J]. 王东昌,钱炜,张杨,吴英亮. 农业装备与车辆工程. 2019(07)
[5]基于柔性多关节机器人的运动控制算法研究[J]. 燕楠. 长春工程学院学报(自然科学版). 2019(02)
[6]仿生柔性关节关键技术综述[J]. 李满宏,马艳悦,张明路. 机械设计. 2018(11)
[7]多层组合扭转弹簧扭矩分配算式优化及旋绕比选取原则的确定[J]. 孙绍帅. 南方农机. 2018(06)
[8]陶瓷髋关节球头与臼杯分离引起边缘负载的动力学仿真模拟[J]. 冯莉,王俊元,刘峰,成博. 中国组织工程研究. 2018(07)
[9]仿生机器人的发展与应用研究[J]. 崔新忠,常诚,缪新颖. 机器人技术与应用. 2017(04)
[10]考虑关节柔性的机器人动力学分析与仿真[J]. 范纪华,章定国,谌宏,方海峰. 计算机仿真. 2017(08)
博士论文
[1]桥梁高墩结构的运动稳定性及影响因素分析[D]. 吴荻.武汉理工大学 2013
[2]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
硕士论文
[1]动力刀架动力学特性分析与优化研究[D]. 李伟.东南大学 2016
[2]基于有限单元法的碳纤维增强单板层积材动力学仿真研究[D]. 刘海明.东北林业大学 2016
[3]航天精密机电组件高加速筛选试验模拟与仿真[D]. 马岩.西安电子科技大学 2014
[4]橡胶疲劳寿命的有限元分析研究[D]. 曹婷婷.华南理工大学 2014
[5]跨座式单轨交通平移式道岔静、动力学分析[D]. 李振华.北京交通大学 2010
[6]钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究[D]. 孙明星.兰州理工大学 2010
[7]基于液压驱动柔性机械手的仿真与分析[D]. 周安明.吉林大学 2009
本文编号：3456611
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