面向仿人机器人的人工肌肉与关节研究

论文摘要

仿人机器人是机器人领域的一个研究热点。与大多数机器人不同,仿人机器人对机械结构以及驱动装置有许多特殊的要求。其中,设计和实现可以满足使用要求的关节及其驱动装置是仿人机器人研究的一项主要任务。目前,机器人关节的驱动方式主要有液压、气动、电磁电机驱动等几种。将这些驱动方式用于仿人机器人时存在一定的不足。本文以两足仿人机器人的人工肌肉与关节为研究对象,提出了一种新型的仿人机器人驱动结构。该结构由大力矩自锁回转关节和人工肌肉所构成。与传统关节型机器人中的回转动力驱动部件不同,我们所设计的大力矩自锁回转关节主要用于完成对机器人本体的支撑和位姿保持功能,而对臂、肢的回转驱动以及对手爪或末端操作器负载的夹持驱动则主要由人工肌肉来完成。为了使得所设计的人工肌肉和关节满足仿人机器人的驱动要求,本文开展了以下几个方面的研究:(1)总结和归纳了压电陶瓷堆的基本工作特性;分析了超声波电机和尺蠖电机在原理上的本质差别,并对箝位端的运动轨迹做了详细的分析,比较了各种箝位端运行轨迹对摩擦的建立以及对系统性能的影响;在尺蠖驱动的基本形式的基础上,提出了一种改进的尺蠖驱动形式,并将其用于人工关节(尺蠖型旋转驱动器)的设计中。(2)基于逆压电效应和尺蠖运动的基本形式,提出了一种新型的人工肌肉驱动器。一体化的设计方案和独特的柔性铰链结构提高了系统的工作频率和工作速度;此外,所引入的箝位中心调节装置,放松了对驱动器的加工要求,也增加了系统的稳定性。(3)构建了人工肌肉驱动器中压电陶瓷堆的仿真模型,并通过对箝位系统、伸缩系统的动力学分析,建立了相应的动力学方程和仿真模型。此外,对经典库仑摩擦模型、状态转换模型以及复位积分模型等三种摩擦模型进行了比较研究,并用复位积分模型法建立了人工肌肉系统的摩擦模型。在此基础上,利用仿真对人工肌肉的工作特性进行了分析,得到了人工肌肉的运行方式、运行频率、负载和系统工作速度的关系等。仿真结果表明,系统具有良好的输出性能。(4)基于逆压电效应和尺蠖运动的基本形式,提出了另外一种人工肌肉的结构设计。这种人工肌肉与前面介绍的人工肌肉主要存在结构上的不同,驱动原理一样。同时,基于逆压电效应和尺蠖运动的改进形式,也提出了一种新型的人工关节,对人工关节的结构和驱动原理都做了详细的介绍和分析。研究表明这种人工关节具有大力矩和自锁的特性,为仿人机器人的位姿保持提供了研究的基础。从研究的结果来看,所设计的人工肌肉和关节驱动器在性能指标上能够满足仿人机器人的驱动要求,为今后从事仿人机器人的研究打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 基于逆压电效应的人工肌肉和人工关节驱动器
• 1.2.1 压电超声波驱动器
• 1.2.2 压电微位移工作台
• 1.2.3 压电惯性驱动器
• 1.2.4 尺蠖型压电驱动器
• 1.3 本论文的主要研究内容和结构
• 第2章 人工肌肉和关节驱动器基本理论及驱动原理
• 2.1 引言
• 2.2 压电陶瓷堆的工作原理与特性
• 2.2.1 压电效应与逆压电效应
• 2.2.2 力学特性
• 2.2.3 电学特性
• 2.2.4 响应特性
• 2.2.5 迟滞特性与蠕变性
• 2.2.6 分辨率和重复性
• 2.3 人工肌肉和关节驱动器的驱动原理
• 2.3.1 物理机制
• 2.3.2 尺蠖驱动基本形式
• 2.3.3 尺蠖驱动改进形式
• 2.4 本章小结
• 第3章 人工肌肉驱动器的结构设计和有限元仿真
• 3.1 引言
• 3.2 人工肌肉驱动器的结构设计
• 3.2.1 总体结构
• 3.2.2 工作原理
• 3.2.3 柔性铰链
• 3.2.4 伸缩机构
• 3.2.5 箝位机构
• 3.3 人工肌肉驱动器的参数设计与有限元仿真
• 3.3.1 伸缩单元参数设计与仿真
• 3.3.2 箝位单元参数设计与仿真
• 3.3.3 箝位调整系统
• 3.3.4 箝位单元的加工要求
• 3.4 其他的设计因素考虑
• 3.4.1 摩擦
• 3.4.2 预压力
• 3.4.3 间隙
• 3.4.4 机械加工制及材料选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 人工肌肉驱动器的运动仿真与工作特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 人工肌肉驱动器的运动分析和仿真模型
• 4.2.1 压电陶瓷堆模型
• 4.2.2 箝位系统的动力学分析
• 4.2.3 伸缩系统的动力学分析
• 4.2.4 摩擦建模与仿真
• 4.2.5 系统动力学建模与仿真
• 4.3 系统仿真
• 4.4 输入波形优化
• 4.5 工作特性分析
• 4.5.1 运行方式
• 4.5.2 运行速度和频率的关系
• 4.5.3 速度和负载的关系
• 4.6 本章小结
• 第5章 另一种人工肌肉驱动器和一种人工关节设计
• 5.1 一种人工肌肉驱动器结构设计
• 5.1.1 系统结构
• 5.1.2 工作原理
• 5.2 一种关节工作原理与结构设计
• 5.2.1 系统结构
• 5.2.2 工作原理
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间发表的论文和取得的科研成果