一种新型混联冗余仿人机械臂的运动特性分析与设计
发布时间：2022-02-25 04:29
仿人机械臂作为人机共融领域最常见、最重要的执行器,不仅可以完成焊接、搬运、投掷等一系列活动,还可以配合人类完成制造工厂结构化环境之外的具体任务。随着生产需求的发展和服务对象的变化,对机械臂的灵敏度和可操作性的要求也越来越高。因此,为解决典型机械臂固有特性的限制,实现轻量级灵巧臂的设计及应用,本文提出了一种串并混联冗余仿人机械臂,并对串并混联机构的运动学、动力学和性能优化等方面展开相关研究。主要内容如下:基于人体手臂的运动解剖分析,制定了仿人机械臂的设计指标,并根据构型综合的GF集理论对机械臂进行了关节布置和自由度分配。其中仿人肩关节以2自由度球面5R并联机构为原型,仿人肘关节选型为3自由度串联机构,仿人腕关节以3自由度球面3-RRP并联机构为原型。根据修正的Grübler-Kutzbach公式,分析了各个关节的自由度性质,验证了所选用的关节构型能够满足设计指标所提出的动作要求。应用现代数学工具（如旋量理论,指数积公式,李群李代数和虚功原理等）,对混联机构的运动学展开研究,推导归纳出广义的分析方法。基于广义坐标系和指数积公式建立了位置正解思路;利用Paden-Kah...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.1.1 课题来源
1.1.2 研究背景
1.2 三类机构构型的应用现状
1.2.1 串联机械臂
1.2.2 并联机械臂
1.2.3 混联机械臂
1.3 机构理论的研究现状
1.3.1 构型综合的研究现状
1.3.2 运动学分析的研究现状
1.3.3 动力学建模的研究现状
1.3.4 性能分析的研究现状
1.4 课题的研究意义及主要研究内容
1.4.1 研究意义
1.4.2 主要研究内容
第二章 基于手臂运动解剖的仿人机械臂构型设计
2.1 引言
2.2 人体手臂运动解剖
2.2.1 人体肩部运动解剖
2.2.2 人体肘部运动解剖
2.2.3 人体腕部运动解剖
2.3 仿人机械臂的设计指标
2.4 仿人机械臂的构型布局
2.4.1 仿人肩关节的构型选型
2.4.2 仿人腕关节的构型选型
2.4.3 仿人机械臂的原型设计
2.5 仿人机械臂的自由度分析
2.5.1 基础理论
2.5.2 仿人肩关节自由度分析
2.5.3 仿人肘关节自由度分析
2.5.4 仿人腕关节自由度分析
2.6 本章小结
第三章 仿人机械臂的位置解分析及工作空间分析
3.1 引言
3.2 基础理论
3.2.1 指数积公式
3.2.2 Paden-Kahan子问题
3.3 广义的混联机构的位置解分析思路
3.3.1 混联机构的位置正解的分析思路
3.3.2 混联机构的位置反解的分析思路
3.4 仿人机械臂的位置解分析
3.4.1 等价串联机械臂
3.4.2 位置正解分析
3.4.3 位置反解分析
3.4.4 位置解验证
3.5 工作空间分析
3.5.1 仿人肩关节姿态空间
3.5.2 仿人肘关节位置空间
3.5.3 仿人腕关节姿态空间
3.5.4 主动姿态空间
3.6 本章小结
第四章 基于李运算的仿人机械臂运动学分析
4.1 引言
4.2 基础理论
4.2.1 李群李代数
4.2.2 李运算
4.3 基于李运算的混联机构运动学分析思路
4.3.1 串联机构的运动学分析
4.3.2 并联机构的运动学分析
4.3.3 混联机构的运动学分析
4.4 仿人机械臂的运动学分析
4.4.1 运动学分析的前处理
4.4.2 正向运动学分析
4.4.3 反向运动学分析
4.4.4 运动学分析的验证
4.5 基于运动学分析的传递性能指标
4.5.1 并联机构的传递性能指标
4.5.2 仿人机械臂的线速度性能指标
4.6 本章小结
第五章 基于虚功原理的仿人机械臂动力学建模
5.1 引言
5.2 基础理论
5.2.1 杆件的运动学分析
5.2.2 虚功原理
5.3 混联机械臂的杆件惯性力分析
5.3.1 肩关节杆件的惯性力
5.3.2 肘关节杆件的惯性力
5.3.3 腕关节杆件的惯性力
5.4 混联机械臂的动力学模型分析
5.4.1 整机动力学模型
5.4.2 动力学模型验证
5.4.3 动力学模型简化
5.5 本章小结
第六章 基于多参数平面模型的仿人机械臂优化设计
6.1 引言
6.2 多参数平面模型
6.3 基于运动特性的结构参数优化
6.3.1 基于工作空间的结构参数优化
6.3.2 基于传递性能的结构参数优化
6.3.3 结构参数优化结果
6.4 实验系统搭建
6.4.1 样机制作
6.4.2 运动测试系统
6.5 运动测试验证
6.5.1 工作空间测试
6.5.2 运动测试结果与分析
6.6 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 总结
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介
1 作者简历
2 攻读博士学位期间发表的学术论文
3 参与的科研项目及获奖情况
4 发明专利
5 编著
学位论文数据集
本文编号：3643742
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.1.1 课题来源
1.1.2 研究背景
1.2 三类机构构型的应用现状
1.2.1 串联机械臂
1.2.2 并联机械臂
1.2.3 混联机械臂
1.3 机构理论的研究现状
1.3.1 构型综合的研究现状
1.3.2 运动学分析的研究现状
1.3.3 动力学建模的研究现状
1.3.4 性能分析的研究现状
1.4 课题的研究意义及主要研究内容
1.4.1 研究意义
1.4.2 主要研究内容
第二章 基于手臂运动解剖的仿人机械臂构型设计
2.1 引言
2.2 人体手臂运动解剖
2.2.1 人体肩部运动解剖
2.2.2 人体肘部运动解剖
2.2.3 人体腕部运动解剖
2.3 仿人机械臂的设计指标
2.4 仿人机械臂的构型布局
2.4.1 仿人肩关节的构型选型
2.4.2 仿人腕关节的构型选型
2.4.3 仿人机械臂的原型设计
2.5 仿人机械臂的自由度分析
2.5.1 基础理论
2.5.2 仿人肩关节自由度分析
2.5.3 仿人肘关节自由度分析
2.5.4 仿人腕关节自由度分析
2.6 本章小结
第三章 仿人机械臂的位置解分析及工作空间分析
3.1 引言
3.2 基础理论
3.2.1 指数积公式
3.2.2 Paden-Kahan子问题
3.3 广义的混联机构的位置解分析思路
3.3.1 混联机构的位置正解的分析思路
3.3.2 混联机构的位置反解的分析思路
3.4 仿人机械臂的位置解分析
3.4.1 等价串联机械臂
3.4.2 位置正解分析
3.4.3 位置反解分析
3.4.4 位置解验证
3.5 工作空间分析
3.5.1 仿人肩关节姿态空间
3.5.2 仿人肘关节位置空间
3.5.3 仿人腕关节姿态空间
3.5.4 主动姿态空间
3.6 本章小结
第四章 基于李运算的仿人机械臂运动学分析
4.1 引言
4.2 基础理论
4.2.1 李群李代数
4.2.2 李运算
4.3 基于李运算的混联机构运动学分析思路
4.3.1 串联机构的运动学分析
4.3.2 并联机构的运动学分析
4.3.3 混联机构的运动学分析
4.4 仿人机械臂的运动学分析
4.4.1 运动学分析的前处理
4.4.2 正向运动学分析
4.4.3 反向运动学分析
4.4.4 运动学分析的验证
4.5 基于运动学分析的传递性能指标
4.5.1 并联机构的传递性能指标
4.5.2 仿人机械臂的线速度性能指标
4.6 本章小结
第五章 基于虚功原理的仿人机械臂动力学建模
5.1 引言
5.2 基础理论
5.2.1 杆件的运动学分析
5.2.2 虚功原理
5.3 混联机械臂的杆件惯性力分析
5.3.1 肩关节杆件的惯性力
5.3.2 肘关节杆件的惯性力
5.3.3 腕关节杆件的惯性力
5.4 混联机械臂的动力学模型分析
5.4.1 整机动力学模型
5.4.2 动力学模型验证
5.4.3 动力学模型简化
5.5 本章小结
第六章 基于多参数平面模型的仿人机械臂优化设计
6.1 引言
6.2 多参数平面模型
6.3 基于运动特性的结构参数优化
6.3.1 基于工作空间的结构参数优化
6.3.2 基于传递性能的结构参数优化
6.3.3 结构参数优化结果
6.4 实验系统搭建
6.4.1 样机制作
6.4.2 运动测试系统
6.5 运动测试验证
6.5.1 工作空间测试
6.5.2 运动测试结果与分析
6.6 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 总结
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介
1 作者简历
2 攻读博士学位期间发表的学术论文
3 参与的科研项目及获奖情况
4 发明专利
5 编著
学位论文数据集
本文编号：3643742
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3643742.html