偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节研究

摘要

人形机器人是外形、结构、功能与人相似的一类智能型机器人。目前已成为机器人技术领域最活跃的分支之一。仿生关节是人形机器人本体结构的核心、实现功能的关键，其性能的好坏将直接影响着整个人形机器人性能及进一步扩展。
　　本文以具有中心球面支链的、偏置输出、高次超静定(过约束)的3RRR+(S-P)新型三自由度球面并联仿生关节机构为研究对象，针对机构的位置、工作空间、静刚度、动力学等几个方面展开了系统研究。为人形机器人并联仿生关节进一步的设计与开发，提供了新思路和一定的理论基础。
　　基于3-RRR原型机构的位置正反解，考虑与人体关节空间分布的一致性，确定了关节机构安装位姿参数，建立了人体与机构空间的映射关系，推导并获得新型3RRR+(S-P)仿生髋关节的位置正反解。并进行了数值计算与分析。
　　在分析了人体中髋关节的位置、姿态、运动空间特征与新型3RRR+(S-P)机构关节的工作空间基础上，比照人体髋关节的工作空间，以机构关节的工作空间覆盖人体髋关节的实际运动空间为条件，确定了关节在人形机器人本体中的安装位姿参数。
　　采用传统的拆杆法和小变形叠加原理，对高次超静定(过约束)3RRR+(S-P)型仿生髋关节机构进行了静刚度分析；通过数值计算得到机构的对角化刚度矩阵。与3RRR原型机构刚度进行比较分析发现：引入中心球面支链的3RRR+(S-P)机构线位移刚度得到较大加强，使线位移与角位移刚度比较均衡。证明了新型三自由度球面并联仿生关节机构可以满足实际。
　　在分析3RRR+(S-P)机构各个构件的速度和能量基础上，建立了机构的拉格朗日逆向动力学模型，求得了平稳的驱动力矩表达式。通过数值计算获得了驱动力矩的曲线图，为关节机构控制提供理论支持。
　　建立新型3RRR+(S-P)仿生髋关节的虚拟样机，并运用ADAMS对其进行运动学和动力学仿真。分析了外力与外力矩对引入中间球面副分支后的3RRR+(S-P)机构与3RRR原型机构的驱动力矩的影响。分析发现：外力对3RRR+(S-P)机构的驱动影响较小；在相同外载下，3RRR+(S-P)机构可以在更小驱动下实现相同的运动轨迹。证明了新型3RRR+(S-P)机构在动力学性能上更具有优势。

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第1章 绪 论

1.1 人形机器人概述

1.2 人形机器人研究现状

1.3 并联机构与人形机器人

1.4 课题研究背景及意义

1.5 论文的主要研究内容

第2章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节运动学分析

2.1 引言

2.2 仿生髋关节机构介绍

2.3 仿生关节空间与机构空间的映射关系

2.4 运动学反解

2.5 运动学正解

2.6 正反解数值验证

2.7 本章小结

第3章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节工作空间分析

3.1 引言

3.2 人体中的髋关节

3.3 仿生髋关节的奇异性和工空间

3.4 人体工作空间和机构工作空间的比较

3.5 本章小结

第4章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节静刚度分析

4.1 引言

4.2 球心点线位移与输出杆的角位移

4.3 静刚度矩阵

4.4 静刚度数值算例

4.5 本章小结

第5章 偏置输出四支链三自由度球面并联仿生髋关节动力学分析

5.1 引言

5.2 仿生髋关节的速度和加速度

5.3仿生髋关节的各构件的能量

5.4 仿生髋关节动力学建模

5.5 本章小结

第6章 仿生髋关节运动学和动力学仿真

6.1 引言

6.2 虚拟样机模型

6.3 运动学仿真

6.4 动力学仿真

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要研究成果

致谢