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《燕山大学》 2016年
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仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计

张亮  
【摘要】:本文研究了仿人机器人肩、肘、腕关节的工作空间、运动学、动力学、尺度综合及臂的运动学与轨迹规划等问题。论文取得了如下成果:设计了一种新型七自由度混联拟人臂,其肩关节采用正交球面三自由度并联机构,肘关节和腕关节分别采用正交两自由度并联机构,三个关节通过串联构成了3-2-2布局形式的拟人臂。该拟人臂兼顾了并联机构和串联机构的优点,操作范围大、承载能力强、动力学特性和运动灵活性好。建立了肩关节机构的位置反解模型,给出了考虑驱动副转角范围、连杆干涉等约束条件下的位置反解,利用三维边界搜索法,绘制了肩关节机构的工作空间三维图。定义了机构的工作空间评价指标,定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了肩关节机构的速度解析方程,定义了机构的运动学性能评价指标,绘制了运动学性能评价指标在空间的分布情况。建立了机构的动力学模型,并在此基础上分析了该机构的动力学特性。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象,建立机构的目标优化设计模型,采用遗传算法得到了机构的一组优化结构参数,考虑加工及装配工艺,设计并研制了一种拟人机器人肩关节。建立了肘关节机构的位置正反解模型,定义了工作空间的评价指标,基于带约束条件的运动学反解方程,定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了肘关节机构的速度和加速度解析方程,同时运用影响系数法得到其Jacobian矩阵和Hessian矩阵,定义了速度及加速度特性作为机构的运动特性评价指标,对该机构进行了运动特性评价及分析。建立了肘关节机构驱动力矩与系统运动参数之间的动力学关系模型。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象,采用遗传算法得到机构的一组优化结构参数,考虑加工及装配工艺,以正交5R并联机构为机构原型,设计并研制了一种拟人机器人肘关节。提出一种腕关节机构,建立了这种机构的位置关系方程,给出了腕关节机构的工作空间三维图,定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了腕关节机构的速度和加速度解析方程及动力学模型,定义了腕关节机构的多项运动学、动力学性能评价指标,绘出并分析了对应性能评价指标在工作空间的分布图。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象,建立机构的目标优化设计模型,采用遗传算法得到机构的一组优化结构参数,考虑加工及装配工艺,设计并研制了一种拟人机器人腕关节样机。采用几何法求得了七自由度冗余拟人臂的位置正反解,推导了拟人臂的运动学方程,采用梯度投影法求得了冗余拟人臂的运动学逆解,并探讨了拟人臂末端与关节转角间的速度关系,采用三次多项式插值法对拟人臂的末端轨迹进行了规划及仿真。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP242

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