论文研究-仿人机器人仿生关节实现技术 .pdf

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仿人机器人仿生关节实现技术,魏慧,帅梅,目前,仿人机器人大多采用一个自由度由一个驱动电机独立驱动,这种关节直驱型机构在能耗分配上存在的不足,制约了仿人机器人能耗
山国武花论文在丝 柔索输入轮与柔索输入轮轴线重合,翰出轮与输出端轴线重合并与柔索输入 轮轴线正交,通过如图所示的柔索连接后,所设计的柔索差分驱动结构实现以下功能 将柔索输入轮与柔索输入轮的两个平行转动转换为正交的 运动,其中,当柔索 输入轮、柔索输入轮以相同的方向转动相同角度时,主转动与向(柔索输入轮的轴 线方向)发生转动;当输入轮柔索输入轮、柔索输入轮以相反的方向转动相同角度时 副转动方向(输出轮轴线方向)发牛转动。 仿人机器人 机构实现 人体下肢骨由盆带骨和游离下肢骨组成,以髋、膝、踝三个关节连接,下肢的各种运动 均是盆骨、大腿、小腿、足四个部分相对运动的合成结果。依据上述人体模型特点,本文所 设计的仿人机器人下肢共有自由度,如表所示,每条腿有个自由度,包括个髋关 节自由度,个膝关节自由度,个踝关节自由度 表人类 各关节运动范围对比 关节 人类 前向 髋关节 侧摆 旋转 膝关节 屈仲 屈伸 踝关节 外旋内旋 髋关节 髋关节在差分驱动机构的基诎上,増加旋转关节,构成可围绕三个运动轴作屈伸,內 收外展和回旋球状运动。其结构如图所示,通过柔性将柔索输入轮处柔索输出轮, 相连,以实现髖关节旋转运动。柔索输入轮、柔索输入轮铀向方向为髋关节的主运动 轴,可实现髖关节屈伸运动,输岀轮轴线方向为髋关节的副运动轴,可实现髋关节内收 外展运动 柔索输出轮F 定滑轮 定滑轮 柔索 柔索输入轮E 图所设计髋关节结构示意图 山国武花论文在丝 膝关节 膝关节具有屈/伸自由度,是人体最复杂的一个关节,小腿可闱绕膝关节的额状轴在矢 状面内作屈伸运动,可视为一个铰关节,本文模仿髌骨结构,在铰状膝关节基础上,增加 限位装置,防止膝关节的过度拉伸。 踝关节 人体踝关节只冇一个主运动轴,可绕额状轴作屈足背屈跖运动。由于跖骨的髁状关节 面前宽后窄,当足屈时,髁状关节面较窄的部分未能填满关芇窝,踝关节可绕矢状轴作微小 的外翻和内翻运动。本文中踝关节采用柔索差分驱动关节,如图所示,输入轮 轴向方向为踝关节的主运动轴,可实现屈足背屈趾运动:踝关节可绕输出端轴向作微 小的外翻和内翻运动 图仿人机器人踝关节结构示意图 最终设计的仿人机器人机构如图所示。 机器人上肢 3DOF髖关节 髖关节柔性 驱动器 膝关节 膝关节柔性 驱动系统 踝关节柔性 驱动系统 2DOF踝关节 脚板 图所设计的仿人机器人 结构小意图 山国武花论文在丝 仿人机器人 控制体系 为实现仿人机器人 低功耗行走控制,设计如图所示的控制体系,主要由主控 ,电杋驱动电路,位置、力及姿态传感器等组成,其控制核心是主控 负责机 盎人运动控制算法的执行,控制指令的发送和传感信息的接收与处理:电机驱动电路采用本 课题组矶制的电机驱动板实垗;测量足底压力信息;编码器测量关节转角信息;应变仪 用来测量关节输岀力;惯性测量单元用来测量机器人实吋娑态信息ε上述各模块通过接∏卡, 系统板通信 PCIO4 任务规划 稳定器 步行模式生成 控制软件 机器人硬件 姿态信息 电机驱动电路 节传感 息 控制 地面反力 体系结构框图 图 控制体系框图 结论 本文在分析仿人机器人最新发展的基础上,针对现有仿人机器人关节直驱型杋构在能耗 分配上存在的不足制约仿人机器人尺寸及能耗利用率,提出仿人枳器人新型仿生关节机构设 汁。所设计的仿生关节机构,采用柔索差动驱动方式,较以往齿轮设计,结构简单,摩擦小, 无囯程误差,并且缩小机器人关节尺寸。依据人类能耗分布,实现驱动力矩再分配,有效减 低各关节所需的峰值力矩及电机尺寸。 参考文献

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