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协作机器人是机器人领域研究和发展的主要方向之一。本文从人体手臂结构出发,提出一种新型的仿人轻量化7自由度绳驱动协作机械臂,完成各关节模块的结构设计和刚度分析,并进行运动学建模和仿真实验。最后,加工机械臂实物,并对其关节刚度和工作空间进行实验验证和性能分析。主要研究内容如下:首先,从人体手臂解剖结构和轻量化的角度出发设计7自由度绳驱机械臂,包括一个三自由度球副肩关节模块,一个单自由度转动副肘关节模块和一个三自由度球副腕关节模块。本文所设计的肩关节为3-R(SS)-(RTR)球面并联机构,具有高刚度和易加工的特点。肘关节和腕关节从轻量化和低转动惯量的设计理念出发,把驱动放在在远离末端执行器的肩关节处,并设计了绳索传动结构进行远距离传动。之后对不同关节布局进行分析,设计了串并混联绳驱动机械臂,并完成了相关硬件的选型和电路设计。然后,对肘关节、腕关节和肩关节的刚度进行分析。基于静力学理论建立了肘关节和腕关节的关节刚度与关节角度的关系模型,以及关节刚度与滑轮圈数的关系模型。同时,用二力杆模型对肩关节的刚度进行分析。再者,针对所设计的各个关节模块以及整条机械臂进行了运动学分析。其中各个关节运用几何的方法进行分析,整条冗余机械臂则用了运动臂形角参数化的方法建立运动学模型。理论分析后,通过结合matlab仿真计算和Solidworks模型,对整条机械臂和肩关节的运动学模型进行仿真验证。并通过线性权重递减粒子群优化算法对臂型角进行优化。仿真实验结果表明采用优化后的臂型角可以有效减少机械臂末端执行器在两点之间的运动时间。最后,加工机械臂的模型样机,并对关节刚度和工作空间进行相关实验和性能评价。基于欧拉角参数化的分析方法来评价冗余机械臂关节的工作空间,并采用工作空间匹配指数评价了所设计关节与人体手臂关节的匹配度。实验结果表明,所设计的机械臂的质量约为4.8kg,与人的手臂相似。肩关节刚度约为155.0N·m/rad,肘关节刚度约为188.3N·m/rad,腕关节刚度约为49.6N·m/rad。肩关节上机械臂和人的工作空间匹配指数为40%,肘关节和腕关节机械臂和人的工作空间匹配指数为100%。