本文關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人肩肘腕關(guān)節(jié)及臂的設(shè)計(jì)

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【摘要】：本文研究了仿人機(jī)器人肩、肘、腕關(guān)節(jié)的工作空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、尺度綜合及臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與軌跡規(guī)劃等問(wèn)題。論文取得了如下成果:設(shè)計(jì)了一種新型七自由度混聯(lián)擬人臂,其肩關(guān)節(jié)采用正交球面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)分別采用正交兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),三個(gè)關(guān)節(jié)通過(guò)串聯(lián)構(gòu)成了3-2-2布局形式的擬人臂。該擬人臂兼顧了并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),操作范圍大、承載能力強(qiáng)、動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)靈活性好。建立了肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置反解模型,給出了考慮驅(qū)動(dòng)副轉(zhuǎn)角范圍、連桿干涉等約束條件下的位置反解,利用三維邊界搜索法,繪制了肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作空間三維圖。定義了機(jī)構(gòu)的工作空間評(píng)價(jià)指標(biāo),定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作空間體積的影響。建立了肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的速度解析方程,定義了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),繪制了運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在空間的分布情況。建立了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上分析了該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。以全域靈巧度和全域驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)作為優(yōu)化對(duì)象,建立機(jī)構(gòu)的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,采用遺傳算法得到了機(jī)構(gòu)的一組優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),考慮加工及裝配工藝,設(shè)計(jì)并研制了一種擬人機(jī)器人肩關(guān)節(jié)。建立了肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置正反解模型,定義了工作空間的評(píng)價(jià)指標(biāo),基于帶約束條件的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方程,定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作空間體積的影響。建立了肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的速度和加速度解析方程,同時(shí)運(yùn)用影響系數(shù)法得到其Jacobian矩陣和Hessian矩陣,定義了速度及加速度特性作為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性評(píng)價(jià)及分析。建立了肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系模型。以全域靈巧度和全域驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)作為優(yōu)化對(duì)象,采用遺傳算法得到機(jī)構(gòu)的一組優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),考慮加工及裝配工藝,以正交5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)為機(jī)構(gòu)原型,設(shè)計(jì)并研制了一種擬人機(jī)器人肘關(guān)節(jié)。提出一種腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu),建立了這種機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系方程,給出了腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作空間三維圖,定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作空間體積的影響。建立了腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的速度和加速度解析方程及動(dòng)力學(xué)模型,定義了腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),繪出并分析了對(duì)應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在工作空間的分布圖。以全域靈巧度和全域驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)作為優(yōu)化對(duì)象,建立機(jī)構(gòu)的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,采用遺傳算法得到機(jī)構(gòu)的一組優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),考慮加工及裝配工藝,設(shè)計(jì)并研制了一種擬人機(jī)器人腕關(guān)節(jié)樣機(jī)。采用幾何法求得了七自由度冗余擬人臂的位置正反解,推導(dǎo)了擬人臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,采用梯度投影法求得了冗余擬人臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,并探討了擬人臂末端與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角間的速度關(guān)系,采用三次多項(xiàng)式插值法對(duì)擬人臂的末端軌跡進(jìn)行了規(guī)劃及仿真。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1284918