关键词：仿人机械臂;;结构设计;;运动学;;动力学
摘 要：在《中国制造2025》趋势的影响下,服务型机器人进入了快速发展的浪潮,其中具有多功能的辅助机械臂逐渐成为极具广阔应用前景的研究热点。本文针对老龄残疾人士及大型工程设备装配两个对象,提出了一种基于人体解剖学的七自由度机械臂的设计方案,解决大型工程设备装配需要多名工程师在相对狭小环境下协同配合及服务老龄残疾人士成本较高的问题,特点在于:(1)全刚体结构的机械臂可以保证末端强稳定性;(2)具有冗余自由度机械臂使得服务老龄残疾人士时,末端固定时其余关节可根据实际空间情况自由活动达到避免碰到受帮助者的目的;(3)同人体上肢相似的尺寸、相似的驱动效果的机械臂可以直接应用在为人类设计的工作场景。首先对人体上肢运动机理进行研究分析,以人体手臂完成动作类型区分自由度,分析各自由度运动所需的人体上肢骨骼和肌肉。结合机械臂的设计要求,对机械臂各关节进行结构设计,并根据各关节运动特点进行驱动匹配和选型。对机械臂完成指定任务所需要的传感器进行选配。对液压驱动关节铰接位置参数进行了优化分析,完善了机械臂结构。对机械臂进行运动学计算,通过机械臂的D-H参数的确定,建立各关节之间位置关系,完成正逆运动学方程的求解,采用五次多项式插值表示机械臂运动轨迹;基于MATLAB开展仿真分析,验证机械臂运动学理论正逆解,得到机械臂工作空间及到达指定位置机械臂各关节角位移变化,为后续机械臂的动力学分析提供基础。对机械臂关键部件进行拓扑轻量化设计及强度校核,借助ANSYS Workbench平台对机械臂关键部件进行形状拓扑优化设计,对优化前后机械臂关键部件位移变形进行对比分析,并对优化后的结构进行强度校核。最后使用拉格朗日法得到了机械臂的动力学方程,使用ADAMS和MATLAB联合仿真,将关节转角、角速度与关节力矩建立闭环关系,建立一个完整虚拟样机完成机械臂的动力学仿真,得到了各关节仿真力矩变化图。
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