人形机器人两自由度球面并联仿生踝关节动力学研究

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目人形机器人两自由度球面并联仿生踝关节动力学研究作者姓名肖超学科专业机械设计及理论指导教师周玉林教授2016年5月中图分类号：TP242.2学校代码：10216UDC：621密级：公开工学硕士学位论文人形机器人两自由度球面并联仿生踝关节动力学研究硕士研究生：肖超导师：周玉林教授申请学位：工学硕士学科专业：机械设计及理论所属学院：机械工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechanicalDesignandTheoryDYNAMICANALYSISOFSPHERICALPARALLE

2、LBIONICANKLEJOINTWITH2-DOFOFHUMANOIDROBOTbyXiaoChaoSupervisor:professorZhouYulinYanshanUniversityMay,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《人形机器人两自由度球面并联仿生踝关节动力学研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大

3、学硕士学位论文使用授权书《人形机器人两自由度球面并联仿生踝关节动力学研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学及本人共有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要人形机器人是机器人技术领域最活跃的分支之一，是全球学术界与工业界广泛关注的

4、热点前沿问题。作为人形机器人的重要组成部分，现有仿生踝关节机构存在承载能力弱、刚度不均衡、工作空间小、仿生水平低等问题。为此，本文从结构功能仿生角度出发，对一种与人类踝关节在形态结构、运动功能、均衡刚度、承载能力等方面高度吻合的、具有中心球副支链的、2-Dof球面并联的新型三支链仿生踝关节机构UP+R+S进行了系统研究。论文主要内容如下：基于闭环矢量法对新型三支链仿生踝关节机构UP+R+S进行运动学分析，求得机构的位置正反解、各支链运动副角位移、各构件质心线速度及角速度；将XsensMVN惯性动态跟踪仪采集的人类正常行走时踝关节的姿态角轨迹函数作为机构的输出，进行位置反解数值计算与分析

5、。为后续机构静刚度分析、动力学分析奠定理论基础。基于小变形线性叠加原理对新型三支链仿生踝关节机构UP+R+S进行刚度分析与评估。由动平台位移变形与外力的关系，推得机构的柔度与刚度矩阵，采用正交变换法确定机构的6个主刚度指标及主方向，并与2自由度球面并联原型机构UP+R的刚度进行对比。为踝关节机构工程设计奠定理论基础，为机构选择工作空间提供理论技术支撑。对新型三支链仿生踝关节机构UP+R+S进行动力学实时控制建模分析。基于拉格朗日原理，建立了机构动力学理论模型；从条件数出发，推导获得机构速度、加速度及惯性力全域性能指标并进行数值计算。利用三角函数近似简化原则，对拉杆支链的能量方程进行了简

6、化，针对计算精度、响应速度、占用内存三个动态实时控制要求，建立了机构的初步系统动力学控制模型并进行了数值分析。为后续机构动力学动态实时控制提供理论技术指导。利用SOLIDWORKS软件建立了新型三支链仿生踝关节机构UP+R+S的三维实体模型，以.x_t格式导入ADAMS软件中进行仿真模拟实验，对运动学与动力学模型的理论计算结果与仿真模拟结果进行了对比分析。关键词：人形机器人；仿生踝关节；运动学；静刚度；动力学-I-燕山大学工学硕士学位论文AbstractHumanoidrobotisoneofthemostactivebranchesinrobotfieldsandithasbeent

7、hehotspotandfrontierprobleminbothoftheinternationalscienceandindustryfieldsnow.Asanimportantpartofhumanoidrobot,theexistingbionicanklejointmechanismhassomedeficienciesanddefects,suchasweakingcarryingcapacity,unbalancedstiffn