三自由度球面并聯(lián)仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、無論在科幻小說還是人們對(duì)機(jī)器人的第一意識(shí)中，都把像人一樣的機(jī)器人作為研究的最高境界。機(jī)器人研究者也一直把實(shí)現(xiàn)類人的行為作為夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。機(jī)器人機(jī)構(gòu)主要是由一個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)組成。現(xiàn)有的人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)都是基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，而且很少有腰關(guān)節(jié)。一般來說，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人承載能力較弱，而沒有腰關(guān)節(jié)，則就會(huì)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(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)，提出了一種新的并聯(lián)冗余機(jī)構(gòu)——3-RRR+S’-

2、P 機(jī)構(gòu)。由于此機(jī)構(gòu)以三自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3-RRR 機(jī)構(gòu)）為基礎(chǔ)，因此后續(xù)主要研究了3-RRR 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)以及剛度，求得運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比矩陣和力雅克比矩陣，并分析了3-RRR 機(jī)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(jī)構(gòu)（3-RRR 機(jī)構(gòu)）的基礎(chǔ)上，為了更好的提高機(jī)構(gòu)的承載性能和剛度，從仿生學(xué)以及動(dòng)物關(guān)節(jié)的角度對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新的冗余機(jī)構(gòu)——3-RRR+S’-P 機(jī)構(gòu)。采用此機(jī)構(gòu)可以把

3、作用在動(dòng)平臺(tái)上過球心的力直接卸載到機(jī)架上，使肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)具有更好的力學(xué)性能、剛度及控制的精度。 2. 對(duì)球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3-RRR 機(jī)構(gòu)）建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到該并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置反解表達(dá)式，用直接求導(dǎo)法推導(dǎo)出其速度反解表達(dá)式，并隨機(jī)求得了幾個(gè)位姿下的速度雅可比矩陣的數(shù)值解，為以后對(duì)速度雅可比和力雅可比矩陣關(guān)系的驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。 3. 采用拆桿法建立3-RRR 機(jī)構(gòu)的受力模型，并通過機(jī)構(gòu)的變形作為補(bǔ)充方程，求得各連桿所受各力的解

4、析表達(dá)式；論證了機(jī)構(gòu)上平臺(tái)受過球心力作用時(shí)，所需機(jī)構(gòu)的輸入力矩為零；以數(shù)值算例為例，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)受廣義力時(shí)，3-RRR 機(jī)構(gòu)各連桿受力以及所需驅(qū)動(dòng)力矩與機(jī)構(gòu)位姿變化的關(guān)系；并用數(shù)值法驗(yàn)證力雅克比矩陣和速度雅可比矩陣J 的關(guān)系。 4. 在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)3-RRR 機(jī)構(gòu)的變形進(jìn)行分析，得到剛度的解析表達(dá)式，為后續(xù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。 5. 分析了速度、精度及承載性能的評(píng)定方法；對(duì)雅克比矩陣的奇異形位進(jìn)行了分析，并畫