两自由度并联结构踝关节的分析与设计

论文摘要

本文针对现有机器人踝关节大都采用串联结构的情况,将球面并联机构用于机器人踝关节设计,为机器人踝关节设计提供新的构型。阐述踝关节的设计思想,采用球面2自由度并联机构作为机器人踝关节的机构原型,由几何关系推导出了该踝关节的位置正反解方程,并结合数学算例进行了验证。根据几何约束条件和装配条件,建立了机器人踝关节机构的尺寸设计空间;利用保角变换理论,将理论工作空间形状变换到平面上表示出来;绘制出给定约束条件下工作空间的立体图,并分析了设计参数对工作空间大小的影响。定义了运动学传递各向同性性能评价指标和静力学承载力性能评价指标,研究了设计参数与各性能指标之间的关系,并绘制了相应的性能图谱。在机构运动学分析的基础上,利用牛顿—欧拉方法对机器人踝关节机构进行了动力学分析,建立了机构的动力学模型,并根据该数学模型编程,得到了驱动关节的力矩变化曲线。以各性能指标、工作空间以及组装条件为依据,确定机构参数,设计出一种基于球面并联机构的机器人踝关节,并以ADAMS为平台对其进行了运动学仿真。本文的研究工作为并联结构机器人踝关节的设计提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 并联机器人的国内外研究及展望
• 1.3 机器人踝关节研究现状
• 1.4 2 自由度并联机器人的研究概况
• 1.5 课题研究意义和研究内容
• 第2章 踝关节的运动学分析
• 2.1 概述
• 2.2 踝关节的设计思想
• 2.3 踝关节的机构原型
• 2.3.1 坐标系的建立
• 2.3.2 基本设计参数及组装条件
• 2.4 踝关节位置分析
• 2.4.1 位置反解
• 2.4.2 位置正解
• 2.5 踝关节速度分析
• 2.5.1 雅可比矩阵的求解
• 2.5.2 角速度的求解
• 2.5.3 角加速度的求解
• 2.5.4 运动分析算例
• 2.6 本章小结
• 第3章 踝关节的工作空间分析
• 3.1 概述
• 3.2 踝关节的设计空间
• 3.3 理论工作空间形状分析
• 3.3.1 保角变换理论
• 3.3.2 理论工作空间形状分析
• 3.3.3 工作空间面积分析
• 3.4 约束条件下的工作空间分析
• 3.4.1 奇异位姿约束
• 3.4.2 杆件之间干涉约束
• 3.4.3 运动杆件与固定平台之间的约束
• 3.5 设计参数对工作空间的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 踝关节的性能分析
• 4.1 概述
• 4.2 运动学传递各向同性性能分析
• 4.3 静力学承载力性能分析
• 4.3.1 力雅可比矩阵的求解
• 4.3.2 静力学传递性能评价指标
• 4.4 本章小结
• 第5章 踝关节的动力学分析
• 5.1 概述
• 5.2 转动惯量的计算
• 5.3 动力学模型的建立
• 5.3.1 质心的线加速度分析
• 5.3.2 连杆的惯性力和力矩
• 5.3.3 连杆的受力分析
• 5.3.4 驱动力和力矩的求解
• 5.3.5 驱动力矩曲线图
• 5.4 本章小结
• 第6章 踝关节的样机设计
• 6.1 概述
• 6.2 踝关节的样机设计
• 6.2.1 设计参数的确定
• 6.2.2 初始装配位姿的选择
• 6.2.3 转动副中心的分布对传递性能的影响
• 6.2.4 踝关节模型的建立
• 6.3 踝关节的运动学仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介