可调刚度弹性被动机器人关节研制

论文摘要

面向人类科学与工程学的仿生机器系统能够提高机器人系统动态能效性、灵活性去适应未知环境,是未来机器人技术研究领域的重要发展方向。仿生腿式跳跃机器人系统是仿生机器人研究领域的一个重要发展方向,它在非结构化环境中具有较强的适应性。为了提高腿式跳跃机器人系统高速运动的能效性、灵活性,以奔跑、跳跃的仿袋鼠跳跃机器人为应用对象,研制一类机器人被动转动关节,实现仿生腿式跳跃机器人系统的变速无源周期运动。基于二阶非完整约束、变速无源运动的奔跑、跳跃仿生机器人,设计一类更加符合躯体结构的被动关节模型——可调刚度弹性被动机器人关节,该模型能够连续改变关节的旋转弹性刚度。应用于奔跑、跳跃的仿生腿式机器人系统,能够改变动态性能参数。测试出实验样机相关力学参数,为奔跑、跳跃的仿生机器人系统实现变速无源周期运动奠定基础。本论文主要研制出了一种能够连续调节旋转刚度的被动型机器人关节。针对关节实用性特点进行结构设计,首先,实验样机的应用基于小功率电机控制调节转动刚度,以提高机器人系统能效性为基础,以实现机器人系统动态高速运动和系统变速无源周期运动为目标,提出机械结构设计方案；其次,采用能够产生弹性大变形的平面非接触涡卷弹簧作为核心的弹性元件,对其进行了具体结构设计；然后,对弹性元件进行简化,并利用Ansys分析软件对简化后的弹性元件进行受载荷变形分析；最后,制造出实验样机,通过实验采集出实验数据、分析实验数据,结合理论计算和软件仿真进行误差分析。为最终设计出变速无源周期运动的仿生腿式跳跃机器人提供数据参考。此外,还提出了一种可调刚度的弹性直线伸缩式被动机器人关节设计方案,并进行了详细地结构设计。文章结尾,为了使关节应用于机器人系统,提出了实现仿生机械系统变速无源周期运动,需要进一步完善的工作思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 仿生腿式机器人研究概况
• 1.3 仿生被动机器人研究起源和意义
• 1.4 仿生机器人关节研究概况
• 1.4.1 生物关节
• 1.4.2 仿生关节
• 1.5 可调刚度弹性被动关节研究的意义
• 1.6 本课题主要研究内容
• 2 可调刚度弹性方案选择
• 2.1 引言
• 2.2 仿生机器人关节性能
• 2.3 仿生机器人关节刚度调节方式
• 2.3.1 改变不规则弹性元件有效工作位置
• 2.3.2 改变弹性元件有效工作长度
• 2.3.3 改变有效工作位置
• 2.3.4 其他方法
• 2.4 设计方案
• 2.5 本章总结
• 3 旋转式关节设计
• 3.1 引言
• 3.2 仿生设计思想
• 3.3 设计目标和设计原则
• 3.3.1 设计目标
• 3.3.2 机械结构设计原则
• 3.4 整体结构方案设计
• 3.4.1 发条和游丝
• 3.4.2 设计方案一
• 3.4.3 设计方案二
• 3.4.4 设计方案三
• 3.5 机械结构设计
• 3.5.1 平面非接触涡卷弹簧初步设计
• 3.5.2 刚度调节方式设计
• 3.5.3 凸轮导轨和驱动盘结构设计
• 3.5.4 支撑筒设计
• 3.5.5 端盖设计
• 3.5.6 电气元件
• 3.6 本章总结
• 4 平面非接触涡卷弹簧分析
• 4.1 引言
• 4.2 平面接触涡卷弹簧介绍
• 4.3 平面非接触涡卷弹簧数值计算
• 4.3.1 弯曲梁大变形
• 4.3.2 数值计算
• 4.3.3 Runge-Kutta方法介绍
• 4.4 有限单元分析
• 4.4.1 非线性大变形分析
• 4.4.2 曲梁模型分析
• 4.4.3 薄壳模型分析
• 4.5 平面非接触涡卷弹簧的模态分析
• 4.6 本章总结
• 5 直线式伸缩式关节设计
• 5.1 引言
• 5.2 直线式伸缩式可调刚度装置设计目标
• 5.3 方案设计
• 5.3.1 调节方式设计
• 5.3.2 弹簧设计
• 5.3.3 支撑导轨设计
• 5.3.4 整体结构设计
• 5.4 本章总结
• 6 实验平台设计
• 6.1 引言
• 6.2 实验平台搭建
• 6.2.1 主要测试元器件
• 6.2.2 控制电路
• 6.2.3 实验样机连接
• 6.3 实验数据采集
• 6.3.1 力与旋转角度的实验数据
• 6.3.2 弹簧长度与位移的实验数据
• 6.3.3 误差分析
• 6.4 力学性能
• 6.5 本章总结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 在学获奖情况及研究成果
• 致谢