【摘要】：本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。機(jī)器人腿部驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展遠(yuǎn)落后于當(dāng)今世界機(jī)器人工作的未知復(fù)雜環(huán)境這一特殊的發(fā)展要求,本論文以設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)未知環(huán)境高度適應(yīng)、性能可靠和靈活運(yùn)動(dòng)能力極強(qiáng)的機(jī)器人及假肢所需要的彈性驅(qū)動(dòng)器為目標(biāo),并對(duì)彈性驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)模型及仿真進(jìn)行了研究。 本文從仿生學(xué)的角度出發(fā),根據(jù)動(dòng)物腿部肌肉的特性,結(jié)合傳統(tǒng)的無阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器的原理,提出了有阻尼圓筒式彈性驅(qū)動(dòng)器模型,設(shè)計(jì)了一個(gè)更接近肌肉性能的彈性驅(qū)動(dòng)器。建立了無阻尼和有阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)這兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析,有阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器在輸出過程中,可以根據(jù)負(fù)載力的大小被動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)剛度和壓縮速度,更好地模擬動(dòng)物肌肉運(yùn)動(dòng)的特性。 結(jié)合傳統(tǒng)的無阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種有阻尼圓筒式彈性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)器人腿部指標(biāo)的要求,計(jì)算出了彈性驅(qū)動(dòng)器所需彈簧的總體剛度為25N/mm,介紹了有阻尼驅(qū)動(dòng)彈性驅(qū)動(dòng)器各組成部件的選取原則。對(duì)兩種彈性驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,并對(duì)彈性驅(qū)動(dòng)器硬件控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 利用dSPACE對(duì)彈性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。首先,通過實(shí)驗(yàn)得到彈性驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的阻尼系數(shù)約為0.1Ns/mm；其次,通過不同帶寬仿真和實(shí)驗(yàn)得到阻尼系數(shù)在0-0.2Ns/mm之間,阻尼系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)不僅得到了驅(qū)動(dòng)器本身的阻尼系數(shù)而且還驗(yàn)證了不同帶寬跟隨特性和驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法的可行性,這為以后深入研究彈性驅(qū)動(dòng)器以及有阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器阻尼系數(shù)的選取提供了依據(jù)。最后,通過不同負(fù)載下的位移跟隨實(shí)驗(yàn),得到了彈性驅(qū)動(dòng)器不同負(fù)載下的位移實(shí)際輸出情況,根據(jù)機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證彈性驅(qū)動(dòng)器的可靠性。 本文通過對(duì)兩種彈性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和驅(qū)動(dòng)特性研究,得出有阻尼彈性驅(qū)動(dòng)器更接近于肌肉特性,能更好地解決機(jī)器人行走過程中足部沖擊力的問題,降低沖擊力對(duì)足部的影響,并且通過實(shí)驗(yàn)得到阻尼系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)特性的影響及其選取范圍。
[Abstract]:This subject comes from the National Natural Science Foundation of China. The development of robot leg driving device lags far behind the special development requirement of unknown complex environment of robot work in the world today. This paper designs a highly adaptable to unknown environment. The elastic actuators needed by robots and prostheses with reliable performance and flexible motion ability are the targets. The mechanical bulk structure, dynamic model and simulation of the elastic actuators are studied. In this paper, according to the characteristics of animal leg muscles and the principle of traditional undamped elastic actuators, a model of damped cylindrical elastic actuator is proposed, and an elastic actuator which is closer to muscle performance is designed from the point of view of bionics. The dynamic models of undamped and damped elastic actuators are established, and the dynamics of these two mechanical structures are analyzed. The driving stiffness and compression speed can be adjusted passively according to the load force, and the characteristics of animal muscle motion can be better simulated. According to the structural characteristics of traditional undamped elastic actuator, a structure of damped cylindrical elastic actuator is designed. According to the requirements of the robot leg index, the total stiffness of the spring needed for the elastic actuator is calculated to be 25 N / mm, and the principle of selecting the components of the elastic actuator with damping is introduced. The finite element structural strength analysis of the key parts of two kinds of elastic actuator is carried out, and the hardware control circuit of the elastic driver is designed. The driving characteristics of elastic driver are analyzed by dSPACE. Firstly, the damping coefficient of the elastic actuator is about 0.1Ns / mm. Secondly, through different bandwidth simulation and experiment, the damping coefficient is obtained between 0-0.2Ns/mm, The damping coefficient measurement experiment not only gets the damping coefficient of the driver itself, but also verifies the different bandwidth following characteristics and the feasibility of the experimental method. This provides a basis for the further study on the selection of damping coefficient of elastic actuator and damping elastic actuator. Finally, through the displacement following experiment under different loads, the actual displacement output of the elastic actuator under different loads is obtained, and the reliability of the elastic actuator is verified according to the quality index of the robot leg mechanism. Based on the dynamic analysis and the study of the driving characteristics of two kinds of elastic actuators, it is concluded that the damping elastic actuator is closer to the muscle characteristics and can better solve the problem of the impact force of the foot during the walking process of the robot. The influence of the impact force on the foot is reduced, and the influence of damping coefficient on the driving characteristics and its selection range are obtained by experiments.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TP242;TH113

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本文編號(hào)：2357956