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

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【摘要】：本文研究了仿人機器人肩、肘、腕關(guān)節(jié)的工作空間、運動學(xué)、動力學(xué)、尺度綜合及臂的運動學(xué)與軌跡規(guī)劃等問題。論文取得了如下成果:設(shè)計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)機構(gòu),三個關(guān)節(jié)通過串聯(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)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點,操作范圍大、承載能力強、動力學(xué)特性和運動靈活性好。建立了肩關(guān)節(jié)機構(gòu)的位置反解模型,給出了考慮驅(qū)動副轉(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)機構(gòu)的工作空間三維圖。定義了機構(gòu)的工作空間評價指標(biāo),定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間體積的影響。建立了肩關(guān)節(jié)機構(gòu)的速度解析方程,定義了機構(gòu)的運動學(xué)性能評價指標(biāo),繪制了運動學(xué)性能評價指標(biāo)在空間的分布情況。建立了機構(gòu)的動力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上分析了該機構(gòu)的動力學(xué)特性。以全域靈巧度和全域驅(qū)動性能指標(biāo)作為優(yōu)化對象,建立機構(gòu)的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型,采用遺傳算法得到了機構(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)計并研制了一種擬人機器人肩關(guān)節(jié)。建立了肘關(guān)節(jié)機構(gòu)的位置正反解模型,定義了工作空間的評價指標(biāo),基于帶約束條件的運動學(xué)反解方程,定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間體積的影響。建立了肘關(guān)節(jié)機構(gòu)的速度和加速度解析方程,同時運用影響系數(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構(gòu)的運動特性評價指標(biāo),對該機構(gòu)進行了運動特性評價及分析。建立了肘關(guān)節(jié)機構(gòu)驅(qū)動力矩與系統(tǒng)運動參數(shù)之間的動力學(xué)關(guān)系模型。以全域靈巧度和全域驅(qū)動性能指標(biāo)作為優(yōu)化對象,采用遺傳算法得到機構(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)機構(gòu)為機構(gòu)原型,設(shè)計并研制了一種擬人機器人肘關(guān)節(jié)。提出一種腕關(guān)節(jié)機構(gòu),建立了這種機構(gòu)的位置關(guān)系方程,給出了腕關(guān)節(jié)機構(gòu)的工作空間三維圖,定量分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間體積的影響。建立了腕關(guān)節(jié)機構(gòu)的速度和加速度解析方程及動力學(xué)模型,定義了腕關(guān)節(jié)機構(gòu)的多項運動學(xué)、動力學(xué)性能評價指標(biāo),繪出并分析了對應(yīng)性能評價指標(biāo)在工作空間的分布圖。以全域靈巧度和全域驅(qū)動性能指標(biāo)作為優(yōu)化對象,建立機構(gòu)的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型,采用遺傳算法得到機構(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)計并研制了一種擬人機器人腕關(guān)節(jié)樣機。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)了擬人臂的運動學(xué)方程,采用梯度投影法求得了冗余擬人臂的運動學(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,采用三次多項式插值法對擬人臂的末端軌跡進行了規(guī)劃及仿真。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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