面向仿人機(jī)器人的人工肌肉與關(guān)節(jié)研究.pdf

1、仿人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與大多數(shù)機(jī)器人不同，仿人機(jī)器人對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)裝置有許多特殊的要求。其中，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以滿足使用要求的關(guān)節(jié)及其驅(qū)動(dòng)裝置是仿人機(jī)器人研究的一項(xiàng)主要任務(wù)。目前，機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓、氣動(dòng)、電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾種。將這些驅(qū)動(dòng)方式用于仿人機(jī)器人時(shí)存在一定的不足。本文以兩足仿人機(jī)器人的人工肌肉與關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，提出了一種新型的仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由大力矩自鎖回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和人工肌肉所構(gòu)成。與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型

2、機(jī)器人中的回轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件不同，我們所設(shè)計(jì)的大力矩自鎖回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要用于完成對(duì)機(jī)器人本體的支撐和位姿保持功能，而對(duì)臂、肢的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以及對(duì)手爪或末端操作器負(fù)載的夾持驅(qū)動(dòng)則主要由人工肌肉來(lái)完成。 為了使得所設(shè)計(jì)的人工肌肉和關(guān)節(jié)滿足仿人機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)要求，本文開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究： (1)總結(jié)和歸納了壓電陶瓷堆的基本工作特性；分析了超聲波電機(jī)和尺蠖電機(jī)在原理上的本質(zhì)差別，并對(duì)箝位端的運(yùn)動(dòng)軌跡做了詳細(xì)的分析，比較了各種箝位端運(yùn)行

3、軌跡對(duì)摩擦的建立以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響；在尺蠖驅(qū)動(dòng)的基本形式的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的尺蠖驅(qū)動(dòng)形式，并將其用于人工關(guān)節(jié)(尺蠖型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器)的設(shè)計(jì)中。 (2)基于逆壓電效應(yīng)和尺蠖運(yùn)動(dòng)的基本形式，提出了一種新型的人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。一體化的設(shè)計(jì)方案和獨(dú)特的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的工作頻率和工作速度；此外，所引入的箝位中心調(diào)節(jié)裝置，放松了對(duì)驅(qū)動(dòng)器的加工要求，也增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (3)構(gòu)建了人工肌肉驅(qū)動(dòng)器中壓電陶瓷堆的仿真模型，并

4、通過(guò)對(duì)箝位系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，建立了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程和仿真模型。此外，對(duì)經(jīng)典庫(kù)侖摩擦模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型以及復(fù)位積分模型等三種摩擦模型進(jìn)行了比較研究，并用復(fù)位積分模型法建立了人工肌肉系統(tǒng)的摩擦模型。在此基礎(chǔ)上，利用仿真對(duì)人工肌肉的工作特性進(jìn)行了分析，得到了人工肌肉的運(yùn)行方式、運(yùn)行頻率、負(fù)載和系統(tǒng)工作速度的關(guān)系等。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的輸出性能。 (4)基于逆壓電效應(yīng)和尺蠖運(yùn)動(dòng)的基本形式，提出了另外一種人工肌肉的結(jié)構(gòu)設(shè)