以2ups+up机构为机械腿的六足仿生机器人的可靠性研究

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1、中图分类号：TP242.2学校代码：10216UDC：621密级：公开工学博士学位论文以2UPS+UP机构为机械腿的六足仿生机器人的可靠性研究博士研究生：张家雷导师：金振林教授申请学位：工学博士学科专业：机械制造及其自动化所在单位：机械工程学院答辩日期：2016年5月24日授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechanicalManufacturingandAutomationTHERELIABILITYRESEARCHOFTHEHEXAPODBIONICROBOTWITHTHE2UPS+UPMECHNISMASTHEMECHANICALLEGSbyZhangJi

2、aleiSupervisor:ProfessorJinZhenlinYanshanUniversityJune,2016燕山大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《以2UPS+UP机构为机械腿的六足仿生机器人的可靠性研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博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：年月日摘要摘要以可靠性数学为分析工具，研究了一种六足仿生机器人的可靠性问题。该机器人由课

3、题组与上海交大机械系统与振动国家重点实验室联合研发，每条腿均为2UPS+UP机构。在安装调试的过程中，出现了一条腿不协调的现象，经检查是一根滚珠丝杠的凹槽里混进了杂物，本文的研究即在此背景下展开。从静态到动态共采用三种方法研究了机械腿的可靠性。首先，以故障树为工具从静态角度研究八个运动副的可靠性对机械腿可靠性的影响：给出了机械腿失效的最小割集和最小路集，推导了可靠度计算公式，分析了机械腿可靠度关于各运动副可靠度的变化规律；提出了计算结构函数值的一种算法，编制了MATLAB代码，分析了各运动副结构重要度的大小关系。然后，以连续时间马尔可夫过程为工具从动态角度分析三条支链的故障率对机械

4、腿可靠性的影响：采用可视化方法详细分析了可修系统的瞬态概率、瞬态可用度和故障频度的变化规律；得出了可靠度随三条支链故障率变化的关系式，比较了三条支链故障率对机械腿可靠度影响的大小关系；给出了稳态下的各项可靠性指标。最后，根据间隔固定时段进行检修的实际情况，采用离散时间模型分析机械腿可修系统的可靠性：推导了各项可靠性指标，比较了与连续时间模型下的各项可靠性指标的异同，并分析了原因。在对机械腿的可靠性进行充分讨论之后，对六足仿生机器人进行分析。首先，以5/6(G)表决系统为工具，研究最多允许一条机械腿故障的情况：推导了不可修系统的可靠度、故障率公式；得出可修系统的各项可靠性指标，并分析

5、了可靠度与不可修时的关系。然后，研究最多允许两条不相邻机械腿故障情况：提出了可靠性数学中一种新型的研究工具——环形4/6(G)条件表决系统，并给出了完整定义；使用这一新工具，得出了不可修时的可靠度计算公式；给出了可修时系统的各项可靠性指标。最后，对两种情况下的可靠性指标进行比较，得出了两种情况下几个重要可靠性指标之间的大小关系。本文开始于机械腿可靠性的研究，结束于六足机器人可靠性的讨论。所得结论可用于指导2UPS+UP机构以及六足步行机器人的生产与售后服务；六足机器人可靠性的讨论结果，不局限于以2UPS+UP机构为机械腿；六足机器人两种情况可靠性指-I-燕山大学工学博士学位论文标的

6、比较结果，证明了对有故障腿的六足机器人进行步态规划与轨迹规划的价值；对提出并已初步应用的新型可靠性系统结构——环形4/6(G)条件表决系统——进行继续研究可丰富可靠性数学的理论体系。关键词：机器人；可靠性；六足仿生机器人；2UPS+UP机构；故障树；马尔可夫可修系统；表决系统-II-AbstractAbstractUsingthereliabilitymathematicsastheanalysistools,thereliabilityproblemofahexapodbionicrobotwasstudied.Therobotwasresearchedanddevelopedb

7、yourgroupandtheStateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibrationofShanghaiJiaoTongUniversity,andthestructureofallthesixmechanicallegsisthe2UPS+UPmechanismIntheprocessofinstallationanddebugging，anincongruousphenomenonappearedinoneleg,itwa