服务机器人发展迅猛,逐步走入千家万户,本课题基于山东省重点研发计划“太极推手机器人关键技术研究”项目,研究具有太极推手功能的机械臂,从设计其结构、建立模型并完成运动学分析,到搭建简单的机械臂并完成太极推手动作,为该项目今后继续发展力传感系统等打下良好的基础。论文内容包括以下几个部分:(1)对太极推手动作进行轨迹分析与力学分析,结合自由度分析,决定设计五自由度太极推手机械臂。基于UG完成太极推手机械臂机械结构设计,包括自由度分布、各关节结构、关节之间的连接、限制关节运动范围档杆、电机的安装等部分,为之后完成平圆推手动作打好基础。(2)基于D-H表示法建立三自由度与五自由度太极推手机械臂运动学方程,并进行正逆运动学求解。通过方程可计算出不同关节变量对应的末端位姿,使用MATLAB/Robotics Toolbox建立模型完成正运动学验证;根据正运动学建立的模型推导出逆运动学方程各关节角变量与末端位姿之间的关系式,并在MATLAB中编写函数求出解析解,与使用Robotics Toolbox工具箱求出的解析解作对比,完成逆运动学结果验证。(3)研究关节空间轨迹规划中的三次多项式插值与五次多项式插值,在MATLAB中对比两种算法优缺点,决定使用五次多项式插值方法完成太极推手机械臂轨迹规划,使末端可以完成直线轨迹与圆弧轨迹;研究笛卡尔空间的直线轨迹规划与圆弧轨迹规划,在MATLAB中仿真求得太极推手机械臂末端轨迹图以及各插值点坐标。(4)根据第二章基于UG软件建立的太极推手机械臂模型,根据自由度分布添加连杆与运动副。其次给每个运动副增加驱动,驱动函数由笛卡尔空间插值点逆运算、五项多项式插值计算得到。经过多次的不同平面的平圆推手实验,验证每个关节的运动范围,确定该机械臂可以完成太极推手动作。(5)搭建太极推手机械臂实验平台,其控制系统的硬件由控层、控制层、执行层和反馈层组成,软件由主机软件与主控板软件组成。使用自主搭建的三自由度太极推手机械臂实验平台和NAO机器人进行实验验证,由主机完成运动学计算与轨迹规划,将参数输出到主控板中,由主控板输出控制信号,驱动机械臂各关节按照既定轨迹运动,实验表明可以完成太极推手动作。