三自由度水壓人工肌肉機械關(guān)節(jié)的設(shè)計與試驗研究.pdf

1、近年來，增強深海作業(yè)能力和提升深?？碧介_發(fā)裝備水平已成為新世紀海洋強國的戰(zhàn)略取向。機械臂是水下勘探、搜索、救助打撈等領(lǐng)域的核心技術(shù)裝備，所以高操作性能的機械臂驅(qū)動器和多自由度機械關(guān)節(jié)成為了學者們的研究重點。水壓人工肌肉具有輸出力質(zhì)量比大、與海洋環(huán)境兼容、良好的柔性和仿生性等優(yōu)點，使得這種新型的綠色驅(qū)動器對于海洋環(huán)境有著理想的應(yīng)用前景。本文仿生人體肩關(guān)節(jié)，對三自由度水壓人工肌肉機械關(guān)節(jié)進行創(chuàng)新設(shè)計與計算分析，對關(guān)節(jié)系統(tǒng)進行了數(shù)學建模與仿真

2、分析，搭建了三自由度水壓人工肌肉機械關(guān)節(jié)原理樣機，設(shè)計并開展了機械關(guān)節(jié)的動靜態(tài)驅(qū)動特性試驗，研究了關(guān)節(jié)系統(tǒng)的控制特性，采用PID控制策略獲得了良好的控制效果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究人體肩關(guān)節(jié)的運動機理和運動參數(shù)，設(shè)計了機械關(guān)節(jié)的運動參數(shù)為:關(guān)節(jié)繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)范圍為±30°、力矩不小于200 Nm;關(guān)節(jié)繞Z軸旋轉(zhuǎn)范圍為90°、力矩不小于100 Nm;提出了三自由度機械關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)方案，計算分析了與機械關(guān)節(jié)匹配的水壓人工肌肉的

3、適用工藝參數(shù)；⑵對水壓人工肌肉及其壓力控制系統(tǒng)和機械關(guān)節(jié)進行數(shù)學建模，利用MATLAB對關(guān)節(jié)系統(tǒng)進行仿真，分析了關(guān)節(jié)的驅(qū)動特性；⑶制備水壓人工肌肉，進行定收縮量試驗，確保水壓人工肌肉滿足關(guān)節(jié)設(shè)計的輸出力要求，分析試驗數(shù)據(jù)并擬合得到水壓人工肌肉驅(qū)動特性；⑷搭建三自由度水壓人工肌肉機械關(guān)節(jié)系統(tǒng)，開展了機械關(guān)節(jié)的驅(qū)動控制試驗研究，包括靜態(tài)控制試驗和動態(tài)控制試驗，關(guān)節(jié)的實際運動范圍為:上關(guān)節(jié)繞Z軸可旋轉(zhuǎn)52°，下關(guān)節(jié)可繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)±23°，分