仿生张拉腕关节的设计与分析

【摘要】：在人形机器人中,关节直接影响整体的运动灵活性、机动性能和承载能力,轻便灵巧的关节是人形机器人的研究中重要的一环,腕关节作为上肢的关键组成部分,直接影响了机器人上肢的运动性能。张拉整体结构特有的拉压平衡状态和人体的骨骼-肌肉系统有天然的相似之处,课题拟基于人体手腕的生理结构,设计一种仿生张拉腕关节,并对其运动性能进行分析,为仿生设计提供了全新的思路和理论指导意义,为仿生张拉机构的实际应用提供了重要的参考价值。分析人体手腕的骨骼、肌肉和韧带的形态结构和连接方式,总结手腕的生理结构特性,通过对人体手腕运动形式的分析,确定机构的目标自由度,结合张拉整体结构的设计理念,提出了一种仿生张拉腕关节并给出了机构的构型设计,根据人体手腕的生理尺寸比例确定机构尺寸,为后续研究确定了理论模型。在机构尺寸的基础上求取初始位形下机构的节点坐标矩阵,根据杆件连接关系建立机构拓扑连接矩阵,基于找形方法中力密度法的理论,在MATLAB中采用优化函数求取各杆件的力密度向量,进一步求取绳索杆件的预应力比值。针对张拉整体结构运动学研究困难的问题,依据不改变分支自由度和结构参数的原则,将张拉整体结构的每一个分支等效为并联机构中的支链,进一步将张拉整体结构等效为并联机构,对仿生手腕机构进行位置反解,速度雅克比矩阵求取和加速度分析,为后续的仿真研究提供了理论基础。采集人体手腕的在屈曲-伸展,内收-外展和环转三种运动情景下的运动参数,模拟手腕机构三种运动的轨迹曲线,在ADAMS中建立手腕机构的虚拟样机,令虚拟样机按照给定的轨迹曲线进行仿真运动,从运动还原程度、稳定性和驱动力等方面对仿真结果进行了分析,验证了模型实现运动的可行性,为样机制作提供了重要参考。研制手腕机构的样机,完成刚性构件、柔性构件和绳驱动系统的设计,针对张拉整体结构安装困难的问题设计了一款辅助安装支架,参考仿真结果完成驱动器和控制器的选型,开发了仿生张拉手腕的控制程序和触摸屏的HMI界面。以实现人体手腕的基本运动为目标对样机进行测试,为手腕机构的实际应用提供了技术基础。