新型过约束球面并联式关节机构仿生设计.pdf

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1、新型过约束球面并联式关节机构仿生设计——侯雨雷胡鑫酷周玉林新型过约束球面并联式关节机构仿生设计侯雨雷胡鑫拮周玉林燕山大学，秦皇岛，066004摘要：以3一RRR三自由度球面并联机构为原型，在其静力学及刚度特性分析基础之上，从仿生学角度出发，采用植入中心球面副的方式，提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构，并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进，大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。关键词：球面并联

2、机构；仿生关节；静力卸载；刚度；工作空间中图分类号：TP24DOI：1O．3969／j．issn．1004—132X．2014．06．003BionicJointDesignBasedonaNovel0ver—constrainedSphericalParallelMechanismHOuYuleiHUXinzheZhouYulinYanshanUniversity，Qinhuangdao，Hebei，066004Abstract：TWObionicointmechanismswithfourover—constraintchainswere

3、proposedbasedonthe3-RRRspherical3-DOFspheriealparallelmechanism。whichcouldbeappliedtotheshoulderandhipjointforhumanoidrobot．Intheviewofbionics，thecentersphericalpairwasintroducedbasedonthestaticsandstiffnesscharacteristicsanalysis，whichcanrealizetheunloadingforful1orpartoft

4、hestaticandtheequilibriumofstiffness．Thepracticalworkspacewasexpandedwidelywiththeimprove—mentofthestructureofthecentersphericalpair．Thepresentationandstructuredesignofthenovelbionicjointmechanismpossessanimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvalueforthedevel—opmentof

5、thehumanoidrobotjoint．Keywords：sphericalparallelmechanism；bionicjoint；mechanicsunloading；stiffness；workspace0引言对并联球面解耦机构的自由度进行了分析，并应仿生机器人是模仿自然界中生物体的精巧结用空间球面解析理论对腕关节球面三自由度并联构、运动原理和行为方式等的机器人系统[1]。近解耦机构进行了位置分析。周益林等lI5提出了一年来，仿生机器人的研究已成为机器人领域的研种冗余球面并联机构(4一RRS)，并结合螺旋理论究热点，而人形机器人则

6、是仿生机器人技术领域方法分析其受力情况，建立了该机构的静力学模最活跃的分支之一，其中，机器人关节的结构和性型，结果表明冗余驱动有利于提高并联关节机构能直接决定其整体性能，包括机动能力、操作能的刚度。Kong等将球面并联机构应用于灵巧力、承载能力、肢体运动的协调能力及运动的控制眼，并对其位置正解做出了系统分析。李秦川性能等，受到国内外学者的广泛关注。等运用螺旋理论综合设计出一种新型3一三自由度球面并联机构是典型的少自由度并P。RS解耦球面并联机构。金振林等]基于拉联机构之一，其结构、运动状态和特性与人体的肩格朗日方法建立了肩关节球面机构的动力学

7、模关节、髋关节很相似，非常适合用于人形机器人的型，进而建立了肩关节伺服电机峰值预估模型。肩关节、髋关节原型机构l_2]。迄今针对球面并联刘玲玲等利用力与位移的对偶关系对2一机构的研究已取得很多成果。Sokolov等在广TPR&SPR三自由度并联机构的刚度进行了分义坐标系下利用虚功原理对3一RPS球面并联机析，通过仿真获得该并联机构在一定工作空间内构进行了动力学分析。孙立宁等根据螺旋理论的刚度性能。Bai[1。。基于3一RRR球面共轴输入并联机构提出了一种采用GCI(globalcondition—收稿日期：2012—10—19ingindex

8、)性能指标——条件数的倒数在整个工基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275443)；教育部科学作空间内运动性能的平均水平的高低，来衡量既技术研究重点项目(21