三自由度球面并聯(lián)仿生關節(jié)的設計與研究.pdf

1、無論在科幻小說還是人們對機器人的第一意識中，都把像人一樣的機器人作為研究的最高境界。機器人研究者也一直把實現(xiàn)類人的行為作為夢寐以求的目標。機器人機構(gòu)主要是由一個個關節(jié)組成?，F(xiàn)有的人形機器人的關節(jié)都是基于串聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動的，而且很少有腰關節(jié)。一般來說，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的機器人承載能力較弱，而沒有腰關節(jié)，則就會受上體重量的影響，使其控制平衡不方便。 本文主要研究人形機器人的肩關節(jié)和腰關節(jié)，提出了一種新的并聯(lián)冗余機構(gòu)——3-RRR+S’-

2、P 機構(gòu)。由于此機構(gòu)以三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)（3-RRR 機構(gòu)）為基礎，因此后續(xù)主要研究了3-RRR 機構(gòu)的運動學、靜力學以及剛度，求得運動學雅克比矩陣和力雅克比矩陣，并分析了3-RRR 機構(gòu)的操作性能和奇異形位。具體內(nèi)容為： 1. 在三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)（3-RRR 機構(gòu)）的基礎上，為了更好的提高機構(gòu)的承載性能和剛度，從仿生學以及動物關節(jié)的角度對機構(gòu)進行改進，提出了一種新的冗余機構(gòu)——3-RRR+S’-P 機構(gòu)。采用此機構(gòu)可以把

3、作用在動平臺上過球心的力直接卸載到機架上，使肩關節(jié)和腰關節(jié)具有更好的力學性能、剛度及控制的精度。 2. 對球面并聯(lián)機構(gòu)（3-RRR 機構(gòu)）建立運動學模型，得到該并聯(lián)機構(gòu)位置反解表達式，用直接求導法推導出其速度反解表達式，并隨機求得了幾個位姿下的速度雅可比矩陣的數(shù)值解，為以后對速度雅可比和力雅可比矩陣關系的驗證奠定了基礎。 3. 采用拆桿法建立3-RRR 機構(gòu)的受力模型，并通過機構(gòu)的變形作為補充方程，求得各連桿所受各力的解

4、析表達式；論證了機構(gòu)上平臺受過球心力作用時，所需機構(gòu)的輸入力矩為零；以數(shù)值算例為例，當動平臺受廣義力時，3-RRR 機構(gòu)各連桿受力以及所需驅(qū)動力矩與機構(gòu)位姿變化的關系；并用數(shù)值法驗證力雅克比矩陣和速度雅可比矩陣J 的關系。 4. 在靜力學分析的基礎上，對3-RRR 機構(gòu)的變形進行分析，得到剛度的解析表達式，為后續(xù)的機構(gòu)設計奠定了理論基礎。 5. 分析了速度、精度及承載性能的評定方法；對雅克比矩陣的奇異形位進行了分析，并畫