面向仿人機(jī)器人的人工肌肉與關(guān)節(jié)研究.pdf

1、仿人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點。與大多數(shù)機(jī)器人不同，仿人機(jī)器人對機(jī)械結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動裝置有許多特殊的要求。其中，設(shè)計和實現(xiàn)可以滿足使用要求的關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置是仿人機(jī)器人研究的一項主要任務(wù)。目前，機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有液壓、氣動、電磁電機(jī)驅(qū)動等幾種。將這些驅(qū)動方式用于仿人機(jī)器人時存在一定的不足。本文以兩足仿人機(jī)器人的人工肌肉與關(guān)節(jié)為研究對象，提出了一種新型的仿人機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由大力矩自鎖回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和人工肌肉所構(gòu)成。與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型

2、機(jī)器人中的回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動部件不同，我們所設(shè)計的大力矩自鎖回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要用于完成對機(jī)器人本體的支撐和位姿保持功能，而對臂、肢的回轉(zhuǎn)驅(qū)動以及對手爪或末端操作器負(fù)載的夾持驅(qū)動則主要由人工肌肉來完成。 為了使得所設(shè)計的人工肌肉和關(guān)節(jié)滿足仿人機(jī)器人的驅(qū)動要求，本文開展了以下幾個方面的研究： (1)總結(jié)和歸納了壓電陶瓷堆的基本工作特性；分析了超聲波電機(jī)和尺蠖電機(jī)在原理上的本質(zhì)差別，并對箝位端的運動軌跡做了詳細(xì)的分析，比較了各種箝位端運行

3、軌跡對摩擦的建立以及對系統(tǒng)性能的影響；在尺蠖驅(qū)動的基本形式的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的尺蠖驅(qū)動形式，并將其用于人工關(guān)節(jié)(尺蠖型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器)的設(shè)計中。 (2)基于逆壓電效應(yīng)和尺蠖運動的基本形式，提出了一種新型的人工肌肉驅(qū)動器。一體化的設(shè)計方案和獨特的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的工作頻率和工作速度；此外，所引入的箝位中心調(diào)節(jié)裝置，放松了對驅(qū)動器的加工要求，也增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (3)構(gòu)建了人工肌肉驅(qū)動器中壓電陶瓷堆的仿真模型，并

4、通過對箝位系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)的動力學(xué)分析，建立了相應(yīng)的動力學(xué)方程和仿真模型。此外，對經(jīng)典庫侖摩擦模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型以及復(fù)位積分模型等三種摩擦模型進(jìn)行了比較研究，并用復(fù)位積分模型法建立了人工肌肉系統(tǒng)的摩擦模型。在此基礎(chǔ)上，利用仿真對人工肌肉的工作特性進(jìn)行了分析，得到了人工肌肉的運行方式、運行頻率、負(fù)載和系統(tǒng)工作速度的關(guān)系等。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的輸出性能。 (4)基于逆壓電效應(yīng)和尺蠖運動的基本形式，提出了另外一種人工肌肉的結(jié)構(gòu)設(shè)