仿人服务机器人手臂结构设计及动态响应优化

摘要

随着机器人技术不断发展，服务机器人在迎宾、助老助残等方面已经得到了广泛的应用。本文主要目的是设计一款轻质量、高刚度的仿人服务机器人手臂。由于仿人机器人手臂结构参数受到人类手臂结构和尺寸的限制，同时还要求机器人手臂在工作的过程中具有良好的动态特性。因此，对设计出的机器人手臂进行固有特性分析和动态响应优化，对降低机器人手臂的振动问题、保障其工作的平稳性具有重要的理论价值和实际指导意义。本文的意义在于采用先进的动态设计取代传统的静态设计，在设计阶段就综合考虑影响机器人手臂工作稳定性的多种因素，目的是设计出一款工作稳定、振动小的服务机器人手臂。综合运用人体工程学、人体测量学、多体系统动力学以及优化设计方法，对服务机器人手臂进行结构设计、固有特性分析以及动态响应优化。具体研究工作如下：
　　①详细介绍最近几年国内外服务机器人的发展趋势和增长态势，以及本文的选题背景和研究意义。阐述国内外对机器人动态特性分析的研究现状，主要是对机器人进行模态分析和动态响应与激励之间的关系研究。介绍目前国内服务机器人手臂存在的问题，并对本文在机器人手臂设计过程中涉及到的关键技术加以介绍。
　　②对人类手臂各个关节自由度数目和运动范围加以研究，确立仿人服务机器人手臂的结构参数和设计要求。根据服务机器人的实际应用场合和功能要求，设计出五自由度机器人手臂。并根据《中国成年人人体尺寸》确立机器人手臂的上臂和前臂尺寸。最后运用Pro/E三维实体建模软件建立机器人手臂的三维装配模型。
　　③运用D-H参数法建立机器人手臂的连杆坐标系，求得相邻连杆之间的变换矩阵和正运动学方程，并将特定的关节转角代入正运动学方程，以此验证正运动学方程的正确性。根据变换矩阵和正运动学方程，运用反变换法求得服务机器人手臂的运动学逆解。
　　④运用参数化建模思想建立机器人手臂的参数化模型，并根据有限元理论和多体动力学理论建立机器人手臂刚柔耦合动力学模型。运用 ADAMS软件对机器人手臂进行模态分析和强迫振动分析，得到机器人手臂的模态频率和固有振型，以及机器人手臂末端加速度、速度频域响应曲线，分析得到容易引起机器人手臂共振的频率范围。
　　⑤机器人手臂动态响应优化，结合优化理论以机器人手臂上臂、前臂的长度和钣金厚度为设计变量；以机器人手臂末端质心位移和加速度为目标函数；以人类手臂的实际尺寸范围和比例为约束条件，建立机器人手臂优化模型，得到手臂设计变量的最优值。并根据圆整之后的最优值重新建立机器人手臂刚柔耦合模型，在相同条件下对其进行固有特性和动态响应分析，并将得到的结果与优化前进行对比。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外服务机器人发展现状

1.3 国内外机器人动态特性分析研究现状

1.4 服务机器人手臂研究涉及的关键技术

1.5 本文主要研究内容

2 仿人服务机器人手臂结构设计

2.1 服务机器人手臂结构设计原则

2.2 服务机器人手臂结构参数的确立

2.3 服务机器人手臂驱动方案设计

2.4 服务机器人手臂连接模块及虚拟样机的建立

2.5 本章小结

3 服务机器人手臂运动学分析

3.1 机器人手臂运动学分析数学基础

3.2 服务机器人手臂正运动学分析

3.3 服务机器人手臂逆运动学分析

3.4 本章小结

4 服务机器人手臂模态及动态响应分析

4.1 动态特性分析理论基础

4.2 服务机器人手臂刚柔耦合模型建立

4.3 服务机器人手臂系统模态分析

4.4 服务机器人手臂动态仿真与结果分析

4.5 本章小结

5 服务机器人手臂动态响应优化

5.1 ADAMS优化设计理论

5.2 服务机器人手臂系统动态响应优化

5.3 机器人手臂系统动态响应优化前后对比

5.4 服务机器人样机制作

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录（含专利）：