基于双斜面偏转机构的新型仿生关节的运动机理及其应用研究

摘要

关节作为机器人最基础的结构组成，对机器人的输出性能和应用有着至关重要的影响。近些年来，随着科技发展，机器人技术得到不断提升，机器人的应用也得到很大的推广，应用领域扩展到各行各业。其中冗余机械臂和双臂机器人系统在这几年得到了飞速的发展。冗余机械臂相比于非冗余机械臂在运动空间、柔顺性、可操作性和空间避障等方面都有了很大的提高;双臂机器人拥有强大的双臂协同操作能力，具备模拟人类双臂的运动能力，在很多领域替代人力进行操作任务。目前，针对这些机器人的研究大都集中在运动轨迹规划、动力学和运动控制等方面，而针对机器人的本体结构研究则越来越少，机械臂在经过几十年的发展后，在机械结构上已经形成了较为统一的形式，大多采用的是多个单自由度旋转关节或直线运动关节串联的结构，这种情况下，机械臂在运动过程中，部分驱动处于保持力矩状态，只有少数驱动在进行有效的输出，这导致机械臂整体功率密度较低，并且机械臂的输出能力受限于所有驱动中最薄弱的一环。尽管研究者们不断提出各种优异的算法以期提高机械臂的工作性能，包括执行速度、操作精确性、智能程度和稳定性等，但都没有从根本上解决问题。
　　本文围绕着着多自由度关节结构的设计和验证，提出了一种基于双斜面偏转机构的新型仿生关节结构，并基于此关节设计研发冗余自由度机械臂以及双臂机器人，尝试着从结构上突破现有机械臂的一些局限，以冗余机械臂和双臂机器人为应用背景展开研究。所述的新型关节结构是一种多运动学路径混合的结构，此新型关节可以实现空间两自由度全向的偏转运动，每个自由度都是通过多个驱动共同实现，可以大幅提高关节的紧凑度和输出能力。所述的冗余机械臂由三个此新型关节与一般的单自由度旋转关节串联而成，所述的双臂机器人结构则是基于两个此冗余机械臂设计。本文开展了新型关节机构的基础理论、新型关节的机构设计、运动学和动力学分析、新型关节的仿真和实验等方面的研究工作，针对其应用，开展了冗余机械臂运动学和动力学建模与求解、轨迹规划和运动控制的研究，开展了双臂机器人基于位置协调和规范动作库的协调运动规划和控制策略等研究工作，主要研究内容及成果如下:
　　(1)新型关节的原理探讨、结构设计及优化。分析和总结国内外各种关节的研究工作，尤其是多自由度关节，对比各种构型关节的性能优劣，提出基于万向节和双斜面组合的一种关节结构，对关节整体运动链进行了分析，得出新型关节在运动学上耦合的结论，这对后面的运动学求解有很大的帮助。设计研制了多个新型关节，并分析了万向节内置和外置的多种构型中，关节的输出差异，在结构上进行了优化。分析了新型关节中斜面参数对关节输出的影响，对关节的设计提供了多种可选方案，可根据实际输出需要进行选择。在驱动方式的选择上对比了基于伺服电机和减速器以及无需减速器的电机直驱方式下关节的输出，最新版本中选取了前者的设计方案。
　　(2)新型关节的运动学和动力学建模及求解。针对新型关节的耦合特性，提出一种基于D-H法的运动学解耦求解思路，求解新型关节的正逆解。利用拉格朗日法对关节动力学进行简化处理，采用Adams和MATLAB Simulink对关节进行了动力学联合仿真，分析了关节的动态响应特性。
　　(3)新型关节的仿真分析及实验。通过仿真分析，在同等输出条件下对比了新型关节与一般两自由度旋转关节（由两个单自由度旋转关节串联而成）的输入需求，得出新型关节可以节约近2/3的电机力矩和功率，即此新型关节在同等输入条件下，可得到更高的输出，进一步的对比实验也验证了这一结论。并且围绕此新型关节搭建两套测试平台，一套可以实现关节末端空间运动到二维平面运动的转化，另一套采用三维运动捕捉系统将关节的三维运动直接进行捕捉。实验重点进行了关节末端正弦运动、直线摆动和圆周摆动下轨迹跟踪实验，得到的结果与仿真的吻合度较高，验证了运动学解和控制方案，分析了误差来源。
　　(4)冗余机械臂和双臂机器人的结构设计和关键技术研究。在新型关节的基础上，提出基于此关节设计的新型冗余机械臂和双臂机器人，将该新型关节与单自由度关节相互组合。对其运动学和动力学进行建模求解，提出运动规划和控制方案，搭建了冗余机械臂测试平台，进行直线和圆弧轨迹跟踪仿真和运动规划实验研究。提出基于位置协调及规范动作库的双臂机器人的协调控制策略，利用UR(Universal Robots)双臂机器人实现抓取、移动和装配实验研究，验证了设计和提出方案的可靠性，为冗余机械臂和双臂机器人的设计研发提供新的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 双臂机器人国内外研究内容及发展趋势

1．2．1 双臂机器人国外研究进展

1．2．2 双臂机器人国内研究进展

1．3 双臂机器人国内外核心技术研究概况

1．3．1 双臂机器人的机构学、运动学和动力学研究概况

1．3．2 双臂机器人的双臂协调运动规划研究概况

1．3．3 双臂机器人的双臂协调运动控制研究概况

1．4 论文研究内容与组织结构

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 论文组织结构

第二章 新型关节结构的仿生学设计及运动机理

2．1 引言

2．2 多自由度关节设计基础理论分析

2．2．1 人手臂关节运动学结构分析

2．2．2 多自由度关节研究分析

2．2．3 新型双自由度关节设计

2．3 新型关节样机优化过程

2．4 新型冗余机械臂与双臂系统结构设计

2．5 本章小结

第三章 新型关节与冗余机械臂的运动学和动力学研究

3．1 引言

3．2 关节运动学解耦与求解

3．2．1 运动学求解

3．2．2 Jacobian和奇异性分析

3．3 基于ADAMS与MATLAB Simulink的关节的动力学联合仿真

3．4 冗余机械臂的运动学研究

3．4．1 冗余机械臂运动学正解求解

3．4．2 冗余机械臂运动学逆解求解

3．4．3 逆运动学解求解范例

3．5 冗余机械臂的动力学研究

3．6 本章小结

第四章 新型关节与冗余机械臂的机构仿真与实验分析

4．1 引言

4．2 关节仿真分析

4．2．1 不同斜面参数的关节性能的仿真分析

4．2．2 新型关节与一般双自由度关节的性能仿真对比分析

4．3 关节实验分析

4．3．1 关节原理样机及实验平台搭建

4．3．2 关节的运动轨迹跟踪实验

4．4 冗余机械臂仿真分析

4．4．1 直线轨迹规划运动仿真

4．4．2 圆弧轨迹规划运动仿真

4．5 冗余机械臂实验分析

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 双臂协调运动模式

5．2．1 基于运动学模型的双臂位置协调控制策略

5．2．2 基于规范动作库的双臂协调控制策略

5．3 双臂协调操作实验

5．3．1 双臂协调搬运运动实验

5．3．2 双臂协调装配运动实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢