三自由度水压人工肌肉机械关节的设计与试验研究

摘要

近年来，增强深海作业能力和提升深海勘探开发装备水平已成为新世纪海洋强国的战略取向。机械臂是水下勘探、搜索、救助打捞等领域的核心技术装备，所以高操作性能的机械臂驱动器和多自由度机械关节成为了学者们的研究重点。水压人工肌肉具有输出力质量比大、与海洋环境兼容、良好的柔性和仿生性等优点，使得这种新型的绿色驱动器对于海洋环境有着理想的应用前景。本文仿生人体肩关节，对三自由度水压人工肌肉机械关节进行创新设计与计算分析，对关节系统进行了数学建模与仿真分析，搭建了三自由度水压人工肌肉机械关节原理样机，设计并开展了机械关节的动静态驱动特性试验，研究了关节系统的控制特性，采用PID控制策略获得了良好的控制效果。
　　本研究主要内容包括：⑴研究人体肩关节的运动机理和运动参数，设计了机械关节的运动参数为:关节绕X、Y轴旋转范围为±30°、力矩不小于200 Nm;关节绕Z轴旋转范围为90°、力矩不小于100 Nm;提出了三自由度机械关节的结构方案，计算分析了与机械关节匹配的水压人工肌肉的适用工艺参数；⑵对水压人工肌肉及其压力控制系统和机械关节进行数学建模，利用MATLAB对关节系统进行仿真，分析了关节的驱动特性；⑶制备水压人工肌肉，进行定收缩量试验，确保水压人工肌肉满足关节设计的输出力要求，分析试验数据并拟合得到水压人工肌肉驱动特性；⑷搭建三自由度水压人工肌肉机械关节系统，开展了机械关节的驱动控制试验研究，包括静态控制试验和动态控制试验，关节的实际运动范围为:上关节绕Z轴可旋转52°，下关节可绕X、Y轴旋转±23°，分析系统的频率特性和辨识了关节系统的传递函数。分析了关节运动性能与设计目标差异以及提出了三自由度机械关节的改进方案。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水压人工肌肉

1．2．2 三自由度机械关节

1．2．3 人工肌肉关节

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文研究的创新点

第2章 三自由度机械关节的设计与分析

2．1 机械关节运动参数设定

2．1．1 人体肩关节参数

2．1．2 机械关节运动参数设定

2．1．3 关节运动的工作原理

2．2 机械关节结构设计

2．2．1 机械关节几何与力矩分析

2．2．2 改进机械关节几何与力矩分析

2．3 关节样机机械结构分析

2．4 本章小结

第3章 水压人工肌肉关节系统建模与仿真

3．1 水压人工肌肉关节系统建模

3．1．1 水压人工肌肉模型

3．1．2 水压人工肌肉的压力控制系统

3．1．3 整体液压系统模型

3．1．4 上关节数学模型

3．1．5 下关节数学模型

3．2 水压人工肌肉关节系统仿真

3．2．1 比例节流阀传递函数确定

3．2．2 关节系统仿真与分析

3．3 本章小结

第4章 关节系统的搭建与试验研究

4．1 水压人工肌肉的制备

4．2 水压人工肌肉的静态试验

4．2．1 定收缩量实验台

4．2．2 定收缩量试验与分析

4．3 关节实验台的搭建

4．4 关节驱动试验与分析

4．4．1 上关节驱动试验

4．4．2 上关节驱动试验结果分析

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢