三自由度水壓人工肌肉機(jī)械關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來(lái)，增強(qiáng)深海作業(yè)能力和提升深?？碧介_(kāi)發(fā)裝備水平已成為新世紀(jì)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略取向。機(jī)械臂是水下勘探、搜索、救助打撈等領(lǐng)域的核心技術(shù)裝備，所以高操作性能的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器和多自由度機(jī)械關(guān)節(jié)成為了學(xué)者們的研究重點(diǎn)。水壓人工肌肉具有輸出力質(zhì)量比大、與海洋環(huán)境兼容、良好的柔性和仿生性等優(yōu)點(diǎn)，使得這種新型的綠色驅(qū)動(dòng)器對(duì)于海洋環(huán)境有著理想的應(yīng)用前景。本文仿生人體肩關(guān)節(jié)，對(duì)三自由度水壓人工肌肉機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，對(duì)關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與仿真

2、分析，搭建了三自由度水壓人工肌肉機(jī)械關(guān)節(jié)原理樣機(jī)，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了機(jī)械關(guān)節(jié)的動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)特性試驗(yàn)，研究了關(guān)節(jié)系統(tǒng)的控制特性，采用PID控制策略獲得了良好的控制效果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究人體肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了機(jī)械關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為:關(guān)節(jié)繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)范圍為±30°、力矩不小于200 Nm;關(guān)節(jié)繞Z軸旋轉(zhuǎn)范圍為90°、力矩不小于100 Nm;提出了三自由度機(jī)械關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)方案，計(jì)算分析了與機(jī)械關(guān)節(jié)匹配的水壓人工肌肉的

3、適用工藝參數(shù)；⑵對(duì)水壓人工肌肉及其壓力控制系統(tǒng)和機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用MATLAB對(duì)關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析了關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)特性；⑶制備水壓人工肌肉，進(jìn)行定收縮量試驗(yàn)，確保水壓人工肌肉滿足關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的輸出力要求，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并擬合得到水壓人工肌肉驅(qū)動(dòng)特性；⑷搭建三自由度水壓人工肌肉機(jī)械關(guān)節(jié)系統(tǒng)，開(kāi)展了機(jī)械關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)研究，包括靜態(tài)控制試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)控制試驗(yàn)，關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍為:上關(guān)節(jié)繞Z軸可旋轉(zhuǎn)52°，下關(guān)節(jié)可繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)±23°，分