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七自由度全方位无奇异仿人机械臂的机构研究

赵智强  
【摘要】:全方位腕是一类转动并联机构,具有刚度高,运动范围大,工作空间内无奇异的优点,因此本文选取它作为研究对象,研究它的机构原理、演化方法和相关特性,并将它应用到仿人机械臂中。本文的主要内容主要分为四个部分:第一部分,全方位腕的机构原理和演化方法的研究;第二部分,全方位关节(满足全方位腕四条特征的机构统称为全方位关节)的运动学研究;第三部分,全方位关节的刚度研究;第四部分,仿人机械臂的设计与运动学分析。具体研究内容如下:首先,归纳全方位腕的特征并分析它们的机构原理,依据这类机构的机构原理以及基于约束空间分解的方法演化出了24种机构,包括12种新机构(新构型(6种)、运动副的布置形式与之前不同(6种)),针对某些串联三杆支链在运动过程中无法保持对称性的问题,提出了平面约束法。其次,分析全方位关节的一般化运动学关系,包括位姿变换关系、正逆运动学、雅克比矩阵。得到这类关节具有机构的运动输出与输入成两倍的关系以及机构的瞬心在对称面上的规律。之后,从全方位关节中选取四种构型简单的机构,对其进行受力分析,变形分析,基于能量法和虚功原理得到了这四种机构的静刚度模型,并用Workbench进行仿真验证,仿真结果表明,刚度模型的结果与仿真的结果基本一致。最后,将四种机构都转换为参数化模型,以关节轴承的限制、机构的尺寸限制以及机构各部分不干涉作为约束条件,以机构的工作空间和变形能作为评价指标,选取全方位关节的构型和结构参数。综合考虑下,以RSR2机构作为仿人机械臂中的全方位关节构型,并依据相应的结构参数设计了全方位关节的结构。以全方位关节作为肩关节和腕关节,设计了七自由度仿人机械臂的机械结构,并对仿人臂的正、逆运动学关系及雅克比矩阵进行了分析。


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