双足机器人的滚动膝盖关节设计与实现

摘要

目前，仿人机器人特别是双足机器人以其对复杂环境良好的适应能力得到了广泛的应用。而在双足机器人的研究中，一个关键点就在于如何能够得到和人类相似甚至更优的关节传动效率。滚动膝关节思想的提出就是通过减小关节内部的摩擦从而降低能量损耗这一途径来实现关节传动效率的提高。本文主要针对滚动膝关节的设计与实现展开研究，其主要内容如下：
　　1．对滚动膝关节机构的传动方案进行了研究，分析比较了带传动和齿轮传动两种膝关节机构构型方案的特点及存在的不足，提出采用丝杠传动作为滚动膝关节设计的传动方案，从而在简化机构的同时实现对小腿转动的高精度控制。
　　2.根据膝关节与双足机器人其他部分特别是大腿小腿之间的关系，提出本项目的相关设计背景参数，以滚珠丝杠作为传动部件提出了两种滚动膝关节的具体实现方案，针对两种方案分别进行了运动学和动力学分析，通过方案对比，确定了丝杠式膝关节的设计方案并确定机构参数。
　　3.进行了滚动膝关节的结构设计及三维建模，完成了方案涉及到的标准件的选择计算，在建模软件中完成了膝关节的组装，并进行了运动学仿真，仿真结果表明所设计的膝关节方案满足设计要求。对膝关节结构中的主要零部件进行了强度校核，利用有限元分析方法完成了强度校核，结果表明，膝关节方案中的各零部件均满足强度要求。
　　4.对于膝关节方案中的非标准件完成了加工制造，其中电机箱等部件采用3D打印技术进行了加工，大腿模块等部件采用Stratoconception快速成型技术完成了加工制造。同时进行了标准件的采购，最后完成了新型膝关节样机的整体组装并进行了初步的运动试验。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 双足机器人及其膝关节的国内外研究现状

1.3 本文中的研究内容及安排

第二章 膝关节传动机构的构型设计

2.1 引言

2.2 新型膝关节机构的自由度分析

2.3 带传动式膝关节

2.4 齿轮传动式膝关节

2.5 丝杠传动式膝关节机构构型的提出

2.6 本章小结

第三章 新型膝关节机构的尺度设计和性能分析

3.1 引言

3.2 设计要求

3.3 方案1：丝杠不固定式膝关节方案

3.4 方案2：丝杠固定式膝关节方案

3.5 选择方案及机构参数

3.6 本章小结

第四章 新型膝关节机构的结构设计

4.1 引言

4.2 膝关节设计方案简图

4.3 膝关节整体模型

4.4 大腿/小腿模块

4.5 大腿驱动模块

4.6 小腿驱动模块

4.7 标准件选型

4.8 膝关节运动仿真

4.9 强度校核

4.10 丝杠传动式膝关节传动方案分析

4.11 本章小结

第五章 新型膝关节样机研制与实验

5.1 引言

5.2 大腿/小腿模块成型

5.3 电机箱和螺母箱成型

5.4 钢丝紧固系统

5.5 膝关节样机

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

附录1 滚珠丝杠膝关节设计方案分析计算程序

附录2 最终方案各工位系统数据

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文