基于人体上肢运动学的仿生机械臂设计方法

摘要

随着仿生技术与机器人技术的进步，仿生机械臂从众多类型的机器人中脱颖而出，为机器人技术的发展开辟出广阔空间。如何合理地配置仿生机械臂的自由度和关节形式，对其设计与实际应用有十分重要的意义。有必要提出仿生机械臂自由度的配置方法，配合以往依靠经验配置机械臂自由度的方式，为仿生机械臂的自由度选取和优化提供参考依据，为设计高效实用的机械臂奠定基础。
　　本文通过文献的查阅与分析，总结了仿生机械臂的自由度与关节形式研究的不足。以人体运动学为基础，结合机器人奇异性理论和运动性能分析，对仿生机械臂的自由度和关节形式的优化原则及方法进行了详细研究。
　　结合人体运动学和机构运动学相关知识，以人体上肢结构和运动参数为基础，提出了七自由度人体上肢模型和简化的六自由度、五自由度模型。将理论模型转化为数学模型，进行仿生机械臂的奇异性和运动性能分析，建立了机械臂设计的自由度选取方法。
　　基于机械臂冗余性和奇异性理论，实现七自由度冗余仿生机械臂的奇异构形由数学计算到可视化图形的转化，提出回避奇异构形的自由度配置依据。结合数值法和蒙特卡洛法分析三种不同自由度的仿生机械臂模型的运动性能，实现了作业空间和运动灵活性的可视化呈现，提出针对不同运动性能要求的仿生机械臂自由度配置依据。
　　以仿生机械臂自由度配置依据为指导，针对上述研究结果设计研发一台巡检机器人样机。对机器人搭载的仿生机械臂的自由度进行优化，对样机在模拟线路环境下进行了上述研究的实验验证。通过对实验结果的分析，论证了仿生机械臂自由度配置依据的合理性。
　　本文研究的仿生机械臂自由度配置依据，能够在一定程度上指导实际工况中仿生机械臂的改进，为自由度的选取和优化提供了参考依据，配合经验化设计可以很好的指导仿生机械臂的设计和应用。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 目前研究存在的问题

1.4 课题主要研究内容

2 人体上肢模型的建立

2.1 人体测量学基础

2.2 人体上肢运动系统概述

2.3 人体上肢运动参数测定

2.4 人体上肢模型的建立

2.5 本章小结

3 人体上肢模型的运动学分析

3.1 引 言

3.2 上肢模型运动学概述

3.3 仿生机械臂的运动学分析

3.4 仿生机械臂的雅克比矩阵

3.5 本章小结

4 仿生机械臂的奇异性分析

4.1 引 言

4.2 奇异性及其分析方法

4.3 附属旋量抑制法

4.4 七自由度冗余仿生机械臂的奇异性

4.5 回避奇异构形的自由度配置依据

4.6 本章小结

5 仿生机械臂的运动性能分析

5.1 引 言

5.2 仿生机械臂作业空间分析

5.3 仿生机械臂灵活性分析

5.4 保证运动性能的自由度配置依据

5.5 本章小结

6 实验验证

6.1 引 言

6.2 巡检用仿生机械臂的优化方案

6.3 模拟线路实验验证

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录A七自由度仿生机械臂的变换矩阵计算程序

附录B七自由度仿生机械臂的作业空间仿真程序

附录C七自由度仿生机械臂的运动灵活性仿真程序

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果和获奖情况

学位论文数据集