文摘
仿生机器人机械手的研究是基于人类的上肢关节的灵活的特点,以及仿生机器人肘关节起着非常重要的作用在仿生机器人机械手的运动控制。今天大多数机器人手肘关节遇到坏的有一个共同缺点中立,转动能力低、仿生学。为了克服一些困难,本文提出一种新颖的仿生机器人肘关节。肘关节的结构模型,描述和位置方程是解决。其次,肘关节的运动方程,建立了运动学解耦性能评价指标的定义肘关节,肘关节的运动解耦的特点进行了分析,和运动学解耦性能地图在工作区中。第三,使用空间模型理论,肘关节的结构参数进行了优化,蒙特卡罗方法的结构参数选择,设计新颖的仿生机器人肘关节。分析结果显示肘关节的运动解耦性能对称和运动学解耦性能随角度的增加,这是一个很好的运动解耦的工作区附近的约35%的初始位置。当肘关节的结构参数 , , ,肘关节有一个很好的运动解耦。本文可以为进一步分析和研究奠定基础的仿生机器人肘关节。
1。介绍
仿生机器人是机器人研究领域的一个新的分支,具有仿生原理集成到机器人的设计和控制,可以模仿动物或人类的结构和运动特点。自然生物的运动行为和一些函数提供了大量的思想来源机器人科学家设计,实现灵活控制(1- - - - - -3]。灵活的操作和运动特性,基于各种类型的仿生关节的仿生机器人凸显了康复医学领域的良好应用前景,太空探索,救援,等等4- - - - - -6]。
仿生机器人机械手的研究是基于人类的上肢关节的灵活特点和灵巧的双手,和人类的上肢由肩关节,肘关节,腕关节,手指关节完成复杂工作和反映整个肢体运动的灵活性。上肢关节更灵活、更灵活的上肢运动可以控制(7]。李等人。8设计一种新型的三自由度肩关节,建立了误差性能指标,绘制地图的错误。李等人。9]提出了一种基于三自由度球面并联机构的仿生眼,和仿生眼的结构参数进行了优化。克莱恩et al。10)设计了一种三自由度外骨骼肩关节,最大转矩特性曲线。张,金11]做了一个深入研究的理论驱动的特点,获得动态特性,优化三自由度肩关节大小。太阳et al。12)提出了一种基于球面三自由度腕关节并行解耦机制,和腕关节的位置进行了分析。
崔和金13)提出了一个双自由度肘关节,定义了静态性能指标,得到了静态性能曲线。在2015年,一本小说髋关节设计及其动态特征和结构参数研究(14]。徐et al。15)设计了一种基于大减速比的肘关节牵引电动机直接驱动结构和分析力,和肘部提供有效的屈伸运动基于double-screw-pair传输和肘关节开发并完成弯曲和扩展运动(16]。黄等。(17)提出了一个新颖的手肘基于曲柄滑块机构和获得力传输特性曲线。Stanišić和Goehler18)提出了一个混合的肩膀复制把握运动的机制,和人类生殖能力的自愿机制达到运动介绍以及程序实现耦合运动的方法。Lovasz et al。19)一个手肘模块设计,触觉的手臂外骨骼进行远程控制,并提出了几种设计方案和控制策略。仿生机器人肘关节起着非常重要的角色在仿生机器人机械手的运动控制。运动解耦的一个重要指标影响的整体运动和控制仿生机器人肘关节。的运动解耦机制(20.)确定其运动特点和可以提供机器人控制和轨迹规划的基础。
解耦的问题密切相关的雅可比矩阵仿生机器人关节。研究人员在这个领域的研究更少。龚et al。21)提出了移动坐标的解耦的绝对坐标和验证了脱钩理论相应的例子。沈et al。22]分析了6自由度并联机构的运动学解耦。徐et al。23]研究了2 r1t并联机构运动解耦的原则基于之间的位置关系和转动轴的驱动力量。Essomba和阮Vu (24)提出了一种新颖的球面解耦机制,证明了其运动学解耦运动和速度模型。
基于文献的分析,现有的机器人肘关节通常是能够实现弯曲和扩展。肘关节的结构设计采用一系列结构;系列结构缺乏良好的定心能力。从肘部关节的性能的分析,有许多文献对承载力的手肘关节,和文学运动解耦尚未被发现。在此基础上,提出了一种仿生机器人肘关节。仿生机器人肘关节采用双自由度球面并联机构作为原型具有良好的结构特点,大型的活动范围,承载力高,相比之下,三自由度并联机构在863年的项目。从自由度的分析机制,三自由度球面并联机构有三个自由度的按照要求肩关节假体原型,和人类肘关节结构具有两个自由度的运动特征,因此,肘关节机制有很好的仿生结构。从安装的分析机制,三自由度球面并联机构的旋转中心位于中间的移动平台和静态平台。棒安装期间的中立性要求非常高,难以安装。每一杆的旋转中心的仿生机器人肘关节呈现90度,安装方便,具有良好的中立。
摘要仿生机器人肘关节的运动方程,建立了雅可比矩阵派生,仿生机器人的运动学解耦性能评价指标定义肘关节,运动学解耦性能评价指标映射在工作区中,和全球运动解耦性能指标建立了基于运动学解耦分析。基于空间模型理论,肘关节的结构参数进行了优化和蒙特卡罗方法的选择,以及仿生机器人肘关节设计。肘关节的脱钩分析的目的是使肘关节的控制机制更方便和容易。
2。模型和位置分析
2.1。结构描述
仿生机器人肘关节是一个重要的仿生手的关节。仿生学的知识的基础上,人类的肘关节由肱骨、桡骨、尺骨,和韧带。人类的肘关节仅限于之间的联系三个骨骼和韧带,只能旋转两个轴,可以实现运动内部和外部旋转和旋转弯曲和扩展,如图1。
结构设计的仿生机器人肘关节应该能够实现拟人化肘关节的运动。根据关节结构的分析和人工肘关节的运动特点,提出了一种新颖的仿生机器人肘关节基于二自由度正交球面并联机构。肘关节有两个分支,框架和移动平台,包含两个驱动电机和驱动电动机固定在框架上。肘关节的移动平台连接的胳膊连接器和连接环通过转动副。肘关节可以实现两个自由度的旋转和具有仿生特性,好小的结构,和小惯性力。结构图如图2。
两个笛卡尔坐标,基本框架是固定的和所代表的协调 ,而移动平台框架, ,附加到它与坐标 。的协调中心两个坐标系是重合的,和中心点的坐标 。这架飞机是由和轴。的轴是沿着方向向量,轴是沿着矢量的方向和通过,轴是垂直的平面以及向量的方向。的单位向量是吗轴,的单位向量是吗轴,单位向量在吗 , 的单位向量是吗轴,的单位向量是吗轴。
假定参考中心连接的旋转的球面半径对和是 ,连接的参考中心的球面半径旋转双和是 ,和连接的参考中心的球面半径旋转双是 。因此,参考中心同心旋转对分布的球形表面不同的半径, 。因此,肘关节的结构参数 , ,和 。
2.2。推导的位置提出解决方案
肘关节的运动方程建立了基于逆位置的解决方案。肘关节的态度角度移动平台和 ,输入角度和 。肘关节的移动平台可以旋转X轴和Y轴,和相应的变换矩阵肘关节移动平台的介绍,可以写成
在固定的坐标系统,单位向量可以表示为
根据肘关节的机制特征,输入驱动电动机的角度和单位向量可以表示为输入角吗,是由
在固定的坐标系统,单位向量可以表示为
在固定的坐标系统,单位向量是由输入角,是由
根据几何的肘关节,(7)可以获得。
逆肘关节的位置解决方程可以写成
提出积极的解决方案肘关节的方程(9)推导出
3所示。运动解耦分析
3.1。运动方程的推导
微分治疗(10),获得的运动学方程 在哪里是输出角度速度表示为吗 ,是输入角速率表示为吗 ,雅可比矩阵,可以提取吗
肘关节的运动解耦分析取决于雅可比矩阵 。为了更详细地描述解耦特性,指数被定义为运动解耦性能 的最大和最小奇异值肘关节雅可比矩阵吗和 ,分别。
3.2。分析运动解耦性能
肘关节的解耦运动学的分析是研究相关或依赖输出参数的输入参数。如果雅可比矩阵可以转化为一个对角矩阵,肘关节运动解耦。肘关节的运动解耦在不同的输入条件下进行了分析。(1)当输入的角速度轴是 ,输出角速度的解耦的肘关节进行了分析。肘关节的输入角速度轴,和输入角速度轴是和 。肘关节的雅可比矩阵可以得到(12),可以给出的 从(14),雅可比矩阵是一个对角单位矩阵和运动学解耦性能的评价指标在工作区中永远是零,因此,肘关节完全运动学解耦和最高的解耦性能。(2)当输入的角速度轴和轴是和 ,你的肘关节运动解耦分析。当肘关节由两个驱动电机、驱动(12)表达了雅可比矩阵。与当地的解耦定义肩关节的运动,只有一个非零元素的第一行(12),所以本地肘关节的运动解耦在整个工作区。根据运动学解耦指数(13),当地的肘关节的运动解耦性能图表,如图3。在图3运动解耦指数变化小的增加角。的增加角,运动学解耦指数逐渐增加,其分离变得越来越小,逐渐增加的耦合。肘关节的运动解耦的局部解耦角方向,在该地区很好的运动解耦的大约35%的初始位置。
4所示。全球运动解耦分析和结构参数优化
全球性能指标能够更好地反映肘关节的运动解耦的全姿态工作空间和空间模型理论(25,26)为结构参数的优化提供了一个新想法的肘关节。肘关节的结构参数进行了优化模型的理论空间,使运动解耦的性能评价指标更好。肘关节的结构参数选择的蒙特卡洛方法。
4.1。分析全球运动解耦性能
基于结构的仿生机器人肘关节,描述结构参数 , ,和 。空间模型的结构参数,建立了仿生机器人肘关节。肘关节的结构尺寸参数是无量纲的,可以给出
肘关节的无因次结构性维度表达,分别
公式(16)可以获得
考虑到制造和组装的仿生机器人肘关节,结构参数的条件感到满意,可以写成
三个无量纲笛卡尔轴结构参数 , ,和 ,分别。几何空间模型的仿生机器人肘关节和三角形可以通过使用(15)和(18),如图4。为了便于图,三维模型转化为一个二维模型的空间模型。无量纲坐标生成的转换关系
(一)空间模型的三维模型
(b)的二维模型的空间模型
全球性能指标引入到空间模型,和全球仿生机器人肘关节的运动解耦性能指标被定义为 在哪里是全球运动解耦性能指标和肘关节的工作区。
使用MATLAB软件,全球运动解耦性能地图肘关节的纯几何空间模型是根据(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),(11),(12),(13),(14),(15),(16),(17),(18),(19)和(20.),如图5。在图5根据(16),三坐标 , ,和反映了三个结构参数 , ,和 ,分别。
从图5,全球肘关节的运动解耦性能是线性分布。的增加和 ,全球运动解耦性能指标价值增加和全球运动解耦逐渐减少。的增加 ,全球运动解耦性能指标的值减少和增加全球运动解耦。
4.2。结构参数优化
结构参数有直接影响机器人的运动性能。斯坦et al。27)定义最优函数基于刚度和传动质量。本文的结构参数的范围定义肘关节。优化设计的肘关节,应选择合理的结构参数设计和制造。分析全球肘关节的运动解耦性能基于空间模型理论奠定了理论基础为肘关节结构参数的选择。本文基于蒙特卡罗方法,肘关节的结构参数进行了优化。肘关节的合理结构参数得到通过的概率统计方法。
的值范围的全球运动解耦性能指标肘关节区间[0,1],符合规则的矩形分布。结合肘关节的结构特点,肘关节的结构参数范围 , ,和是 , , 。
在[28),机械臂的结构参数进行了优化使用蒙特卡洛方法,和中间值的性能指标选择的结构参数优化的目标。因此,全球的媒介物价值肘关节的运动解耦指标作为优化目标的肘关节,中 。当不超过0.1524,全球运动解耦性能更好。
条件下,评价指标的全球运动解耦性能比优化目标值,每个参数的采样值的分布规律计算采样结构参数的范围内,和结构参数的概率分布,如图6。很明显从图6的结构参数 , , ,结构参数的概率模型的仿生机器人肘关节较高。
(一)的概率
(b)的概率
(c)的概率
5。设计的仿生机器人肘关节
考虑其加工过程,肘关节的虚拟样机设计的基础上,优化结构参数,以及主要技术参数如表所示1。
虚拟样机模型的仿生机器人肘关节如图7。
伺服电机13电动机座上安装15日和伺服电机13传递的转矩电动机通过平面四杆顶杆23机制。其他运动的仿生机器人肘关节伺服电机7安装在肘部基地5。伺服电机7与转轴固定连接在底部连杆17日通过安装孔耦合8。连杆17与环形21个成员由一对同轴旋转铰链18和19。另一对同轴旋转铰链26和27个环形成员21是连接到移动平台22。手臂连接器24固定连接底部的移动平台。
6。仿真实验分析
6.1。运动学仿真实验
为了验证肘关节的运动方程的正确性机制,肘关节的理论解的结果和仿真运动模型的比较和分析。仿生机器人肘关节的运动轨迹移动平台所表达的
根据(11),在一个给定的运动轨迹,理论输入角速度曲线可以通过使用MATLAB,如图8。肘关节的虚拟样机设计基于优化的结构参数和运动的仿真值变化曲线的输入角度获得虚拟样机通过使用仿真软件ADAMS运动,如图8。从图8理论值和仿真值几乎相同,验证建模的正确性的运动方程。
6.2。运动解耦仿真实验
仿生机器人肘关节的虚拟样机,并进行虚拟仿真实验。基于核心软件,肘关节设计参数。参数设计范围是一样的空间模型理论的参数范围。参数化设计变量增量是5毫米,343个虚拟原型的手肘关节与不同的结构维度。
的可达工作空间的运动学仿真对于每个原型,进行体积和总数量的工作空间和工作空间的数量体积符合运动学解耦索引记录。
结构参数得到优化的空间模型,30毫米,70毫米和90毫米。运动解耦的工作空间的数量被认为是标准的价值 ,和虚拟样机原型定义的标准。体积的运动学解耦工作区了其他不同的结构参数 。运动解耦工作空间体积比被定义为
343年肘关节运动解耦卷数量与基本的运动解耦的数量。当一个结构参数改变标准原型和其他参数不变,体积的运动学解耦工作区是后天获得的,并且每个结构参数的影响曲线的大小肘关节运动解耦的工作区,如图9。
在图9运动解耦体积比增加而增加的和 ,和增加 ,运动解耦的体积比工作区首先增加然后减少。在图的变化趋势是一样的6,优化结构参数的合理性可以证明,和运动学解耦分析是正确的。
7所示。结论
一种新颖的仿生机器人的运动学解耦分析肘关节。分析运动解耦的肘关节在工作区中是对称的,运动是由一个电机驱动时完全解耦。全球肘关节的运动解耦性能显示一个线性分布。的增加 ,“脱钩”逐渐减少。肘关节的结构参数选择的蒙特卡罗方法,这是 , , 。考虑到过程和装配过程,肘关节原型设计和开发。最后,仿真实验验证了正确性的运动学方程和运动学解耦,以及优化利用空间模型参数的合理性。
总之,仿生机器人肘关节有两个自由度和良好的解耦特性,可以应用在康复机器人、仿生机器人、工业机器人、仿人机器人的手臂,和其他领域。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金支持(E51505124)、河北省自然科学基金(E2017209252),河北省教育部(QN2015203和2015 gjjg084),和在线教育研究基金的教育研究中心教育部(2016 yb117)。