可变刚度仿生关节的研究与设计

发布时间：2017-04-09 18:16

  本文关键词：可变刚度仿生关节的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：服务型机器人被要求能够完成各种各样复杂的任务,且在其与人类进行交互时能够确保人类和机器人自身的安全。通过在机器人关节上安装非线性弹性元件可以改变关节的刚度,这种基于机械系统的柔顺性在碰撞发生时可以避免主动安全因需要传感器而产生的反馈速度慢、经济性差等缺点。在基于并联对抗驱动的关节中选择合适的变刚度单元来实现关节刚度特性的改变非常重要。本文对基于并联对抗驱动的变刚度肘关节进行了深入的研究,主要内容包括以下几个方面：1、研究了现有变刚度装置的机械结构及变刚度原理,确定了所要采用的变刚度方案并根据人类肘关节的动作特点采用基于并联对抗驱动的肘关节驱动方式。2、给出了几种使用线性弹簧与非线性机械装置相结合的变刚度装置示意图,分析了它们各自产生可控的非线性的原理并推导了相关公式。3、利用MATLAB实现了变刚度单元变刚度性能及相关改进型变刚度单元性能的分析,最终决定采用等腰钝角三角型变刚度、S型与曲柄滑块压簧相配合变刚度以及曲柄滑块变刚度这三种变刚度方式进行外力冲击作用下的动态分析。4、采用机械动力学仿真软件ADAMS完成了变刚度单元的建模及虚拟肘关节的建立,进行了相关刚度曲线特性的仿真分析。研究了串联两种不同变刚度单元的虚拟关节及曲柄滑块变刚度关节在受到重物冲击时关节的转角和受力情况,证明了可变刚度肘关节能够有效吸收外界冲击,并且串联有S型变刚度单元的关节能够实现对机器人本身更好的保护。5、使用三维建模软件CATIA完成了相关变刚度单元及仿人肘关节的建模。通过更改关节中使用的线性弹簧的刚度便可以改变肘关节带负载能力的大小及其相关动力学性能。
【关键词】：变刚度 仿生关节 非线性 对抗驱动 ADAMS仿真
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.1;TB17
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究意义10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 国外研究现状11-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.3 本文的研究内容和组织结构16-18
• 1.3.1 论文的研究内容和创新点16-17
• 1.3.2 论文的组织结构17-18
• 第2章 变刚度方案选择18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 人类关节刚度调节方式18-19
• 2.3 仿生机器人关节刚度调节方式19-24
• 2.3.1 改变不规则弹性元件的有效工作位置19-20
• 2.3.2 改变弹性元件的有效工作长度20-22
• 2.3.3 改变有效工作位置22-24
• 2.3.4 线性弹簧与非线性装置相结合24
• 2.3.5 其他方法24
• 2.4 变刚度方案选择24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 几种典型变刚度装置的变刚度原理分析26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 三角型变刚度26-29
• 3.3 S型变刚度29-32
• 3.4 曲柄滑块变刚度32-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 变刚度结构选择36-48
• 4.1 引言36
• 4.2 三角型变刚度特性分析36-40
• 4.3 S型变刚度特性分析40-46
• 4.3.1 S型与扭簧配合的变刚度特性分析40-42
• 4.3.2 S型与曲柄滑块压簧配合的变刚度特性分析42-46
• 4.4 曲柄滑块变刚度特性分析46-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 变刚度单元ADAMS仿真及肘关节三维建模48-74
• 5.1 引言48
• 5.2 ADAMS简介48-49
• 5.3 变刚度单元建模49-55
• 5.3.1 离散法建立柔绳49-52
• 5.3.2 部件间约束及载荷的添加52-55
• 5.4 变刚度单元ADAMS仿真55-60
• 5.4.1 钝角三角型变刚度单元仿真55-57
• 5.4.2 与扭簧配合的三角型变刚度单元仿真57-59
• 5.4.3 与曲柄滑块和拉簧配合的S型变刚度单元仿真59-60
• 5.5 关节刚度调节ADAMS仿真60-70
• 5.5.1 使用钝角三角型变刚度单元的关节刚度调节60-64
• 5.5.2 使用S型变刚度单元的关节刚度调节64-66
• 5.5.3 使用曲柄滑块变刚度的关节刚度调节66-70
• 5.6 肘关节三维建模70-73
• 5.7 本章小结73-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-84
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果84

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