仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计

摘要

本文研究了仿人机器人肩、肘、腕关节的工作空间、运动学、动力学、尺度综合及臂的运动学与轨迹规划等问题。论文取得了如下成果：
　　设计了一种新型七自由度混联拟人臂，其肩关节采用正交球面三自由度并联机构，肘关节和腕关节分别采用正交两自由度并联机构，三个关节通过串联构成了3-2-2布局形式的拟人臂。该拟人臂兼顾了并联机构和串联机构的优点，操作范围大、承载能力强、动力学特性和运动灵活性好。
　　建立了肩关节机构的位置反解模型，给出了考虑驱动副转角范围、连杆干涉等约束条件下的位置反解，利用三维边界搜索法，绘制了肩关节机构的工作空间三维图。定义了机构的工作空间评价指标，定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了肩关节机构的速度解析方程，定义了机构的运动学性能评价指标，绘制了运动学性能评价指标在空间的分布情况。建立了机构的动力学模型，并在此基础上分析了该机构的动力学特性。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象，建立机构的目标优化设计模型，采用遗传算法得到了机构的一组优化结构参数，考虑加工及装配工艺，设计并研制了一种拟人机器人肩关节。
　　建立了肘关节机构的位置正反解模型，定义了工作空间的评价指标，基于带约束条件的运动学反解方程，定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了肘关节机构的速度和加速度解析方程，同时运用影响系数法得到其Jacobian矩阵和Hessian矩阵，定义了速度及加速度特性作为机构的运动特性评价指标，对该机构进行了运动特性评价及分析。建立了肘关节机构驱动力矩与系统运动参数之间的动力学关系模型。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象，采用遗传算法得到机构的一组优化结构参数，考虑加工及装配工艺，以正交5R并联机构为机构原型，设计并研制了一种拟人机器人肘关节。
　　提出一种腕关节机构，建立了这种机构的位置关系方程，给出了腕关节机构的工作空间三维图，定量分析了结构参数对工作空间体积的影响。建立了腕关节机构的速度和加速度解析方程及动力学模型，定义了腕关节机构的多项运动学、动力学性能评价指标，绘出并分析了对应性能评价指标在工作空间的分布图。以全域灵巧度和全域驱动性能指标作为优化对象，建立机构的目标优化设计模型，采用遗传算法得到机构的一组优化结构参数，考虑加工及装配工艺，设计并研制了一种拟人机器人腕关节样机。
　　采用几何法求得了七自由度冗余拟人臂的位置正反解，推导了拟人臂的运动学方程，采用梯度投影法求得了冗余拟人臂的运动学逆解，并探讨了拟人臂末端与关节转角间的速度关系，采用三次多项式插值法对拟人臂的末端轨迹进行了规划及仿真。

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第1章 绪 论

1.1 概述

1.2 拟人机械臂的研究现状

1.3 并联机构的理论研究现状

1.4 选题意义与课题来源

1.5 本文的主要研究内容

第2章 拟人臂的概念设计

2.1 人体手臂的结构分析

2.2 拟人臂的设计要求

2.3 拟人臂各关节的机构选型

2.4 本章小结

第3章 肩关节的性能分析与设计

3.1 肩关节机构的工作空间分析

3.2 肩关节机构的运动学性能分析

3.3 肩关节机构的动力学性能分析

3.4 肩关节机构的力学性能评价

3.5 肩关节机构的参数设计与样机研制

3.6 本章小结

第4章 肘关节的性能分析与设计

4.1 肘关节机构的工作空间分析

4.2 肘关节机构的运动学性能分析

4.3 肘关节机构的动力学分析

4.4 肘关节机构的力学性能评价

4.5 肘关节机构的受力变形及刚度分析

4.6 肘关节机构的参数设计与样机研制

4.7 本章小结

第5章 腕关节的性能分析与设计

5.1 腕关节机构的工作空间分析

5.2 腕关节机构的运动学性能分析

5.3 腕关节机构的动力学分析

5.4 腕关节机构的力学性能评价

5.5 腕关节机构的受力变形及刚度分析

5.6 腕关节机构的参数设计与样机研制

5.7 本章小结

第6章 拟人臂的设计及运动学分析与轨迹规划

6.1 拟人臂的设计

6.2 拟人臂的位置分析

6.3 拟人臂的运动学分析

6.4 基于梯度投影法的拟人臂逆运动学分析

6.5 拟人臂末端轨迹规划

6.6 拟人臂运动仿真

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢