串并混联拟人机械臂的动态结构参数优化方法及冲击动载协调分配问题的研究

The dynamic parameters optimum and optimized impact energy distribution methods for series-parallel hybrid humanoid mechanical arm are analyzed. A novel series-parallel hybrid humanoid mechanical arm is proposed, and the hybrid humanoid mechanical arm owns advantages of simple structure, lower inertia and high payload capacity etc. Then the global dynamics performance evaluation are researched based on the dynamics performance evaluation analysis, and the distribution of the global dynamics performance evaluation are described. The global dynamics performance evaluation index is researched based upon the the plane model of solution space for multiple parameters, and the distribution of the dynamics performance evaluation index is drawn. Third, the statistics parameters dynamics optimization based on the plane model of solution space for multiple parameters and the plane model of solution space for multiple parameters are proposed, and the series-parallel hybrid humanoid mechanical arm is designed by using the statistics parameters dynamics optimization based on the plane model of solution space for multiple parameters. Fourth, the optimized impact energy distribution methods for series-parallel hybrid humanoid arm is proposed, and the optimum input of the mechanical arm are developed based upon the lowest energy consumption and the fastest. Fifth, in order to reduce the impact damage, a impedance compliance control method is proposed, and Compliance control model is developed. At last, the dynamics test is developed, in which the dynamics test will be verified the theory analysis. The present analysis provide the base for the applications of the novel series-parallel humanoid robot.

本项目对串并混联多自由度拟人机械臂的动态结构参数优化方法及冲击动载协调分配等问题进行研究。主要研究内容为：1、提出了一种新型串并混联拟人机械臂机构，发挥了并联机构与串联机构的优点，具有结构简单、承载能力强、运动惯性小等优点。2、考虑输入力、惯性力、关节粘性阻尼及外力冲击等作用下，对拟人机械臂的动力学模型进行研究，给出各动态力及各性能评价指标的分布规律。3、提出一种多参数平面模型技术及一种基于多参数平面模型技术的多目标概率参数设计方法，弥补当前结构参数优化方法的不足之处，研制一种拟人机械臂样机。4、提出一种基于蒙特卡洛技术的冲击动载协调分配优化方法及一种阻抗式柔顺控制方法，考虑能耗最低、时间最快的情况下，给出系统的最优输入组合及其柔顺控制模型，减小冲击载荷对机械臂的破坏作用。5、对这种拟人机械臂的动态特性进行试验研究，验证理论的正确性。本课题的研究成果为开发新型结构的拟人机器人奠定了基础。

本项目对串并混联拟人机械臂的动态结构参数优化方法及冲击动载协调分配问题进行研究。提出了一种新型串并混联拟人机械臂，这种串并混联拟人机械臂具有结构紧凑、承载能力强、运动惯性小及运动灵活等优点，发挥了并联机构与串联机构的优点。基于矢量法，对串并混联拟人机械臂的运动学和静力学进行研究，在此基础上，考虑输入力、惯性力、关节粘性阻尼等，建立拟人机械臂的系统动力学模型，提出其简化动力学模型，给出简化动力传递矩阵，使其计算更加具有实时性。基于动力传递矩阵，提出动态力输入性能评价指标、动态特性力传递性能评价指标及动态各向同性的评价指标。提出一种多参数平面模型技术，给出各结构参数分别与各全域性能指标之间的分布规律。考虑到拟人机械臂的各动态全域性能评价指标、各运动构件上力变化规律，应用主成分分析方法，提出一种针对多目标的动态结构参数优化方法，根据这种方法，优化拟人机械臂的结构参数，同时考虑其加工与装配工艺性，研制一种拟人机械臂实验样机。提出一种基于基于时间、能耗和关节力矩波动的动载协调分配优化方法。在简化动力学模型的动力传递矩阵研究的基础上，考虑输入力、惯性力、关节粘性阻尼等作用下，应用Dijkstra算法及遗传算法等，建立拟人机械臂的动载协调分配的目标优化函数。考虑拟人机械臂受到外载荷冲击时，阻尼能量突然增大，建立冲击力预测模型，提出一种基于广义能耗的冲击动载协调分配优化方法。研究系统冲击动载在各关节和驱动输入之间的动载协调分配等问题，给出最优的分配输入组合。基于各驱动的阻抗式柔顺控制方法，建立拟人机械臂柔顺控制模型，设计其柔顺控制器，减小冲击载荷对拟人机械臂的破坏作用。基于拟人机械臂动态特性的研究，利用LMS 结构振动测试分析系统（LMS Test.Lab）对拟人机械臂进行振动分析，研究在不同工况下，拟人机械臂各运动构件在运动中振动频率分布规律，分析产生异常抖动的原因，提出改进措施，为改善机构构型、减少振动噪声提供参考。