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《燕山大学》 2018年
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五自由度双球面混联仿生肩关节研究

张红岩  
【摘要】:人形机器人是机器人研究中重要的方向之一,是目前国际学术和工业普遍关注的热点。其中,仿生关节是人形机器人中实现形态、功能仿生的重要组成部分。肩关节是人体运动范围最大和最灵活的关节,仿生肩关节的设计与研究对于人形机器人的仿生性能影响巨大,本文主要对一新型五自由度双球面混联仿生肩关节机构进行深入系统研究,旨在扩大工作空间、改进仿生效果。论文主要内容如下:用解析解分析法,根据机构的几何特点建立约束方程,求解2PUS+U两自由度球面并联肩胛带机构和(2PUS+U)-(3RRR+(S-P))五自由度混联仿生肩关节机构的位置正反解。并对该混联机构的位置反解进行了数值运算。基于新型混联仿生肩关节机构的运动学分析,推导出中间动平台的中心和末端动平台的中心的线速度、角速度和角加速度的公式;并建立了Adams仿真模型,在给定姿态角函数的条件下进行模拟仿真,测量出(2PUS+U)-(3RRR+(S-P))五自由度混联仿生肩关节机构的五个动力的位移曲线、中间和末端两个动平台的中心的线速度、角速度和角加速度曲线;将仿真得到的曲线与用MATLAB理论计算的曲线进行对比,证明了(2PUS+U)-(3RRR+(S-P))五自由度肩关节机构反解与速度、加速度的计算的正确性。根据前人的人体运动实验测量的数据,获得人体肩胛带和肱骨的运动空间。基于雅克比矩阵分析了五自由度混联仿生肩关节机构的奇异性,并得出3RRR+(S-P)并联机构的奇异点映射到(2PUS+U)-(3RRR+(S-P))五自由度肩关节机构的奇异空间;根据约束条件和位置反解,确定2PUS+U并联机构和(2PUS+U)-(3RRR+(S-P))五自由度混联仿生肩关节的工作空间。基于人体肩关节运动空间与仿生肩关节机构的工作空间的一致性仿生设计,确定了仿生肩关节机构的安装位姿参数,同时,证明了仿生机构的工作空间满足人体肩关节的运动空间与范围。基于拉格朗日方程法分析混联仿生肩关节的动力学,推导出系统的拉格朗日函数及设定广义坐标和广义力,从而建立了系统的拉格朗日动力学方程,求得了新型混联仿生肩关节机构的动力学反解表达式,以第三章中仿真时的动平台运动轨迹为条件,分析两个移动副的驱动力和三个转动副的驱动力矩,分别用MATLAB软件进行理论计算和Adams软件进行仿真对比,验证了仿生肩关节机构的动力学理论分析的正确性。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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