水下外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、利用外骨骼機(jī)器人提升單兵能力的方法自上世紀(jì)60年代起便有學(xué)者開始研究，50余年來(lái)已有頗豐的研究成果。水下外骨骼機(jī)器人定義為一種用于執(zhí)行水下作業(yè)的可穿戴機(jī)械裝置，將外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于水下以提升蛙人運(yùn)動(dòng)能力的方法在國(guó)內(nèi)外還鮮有研究。
　　本研究采用D-H參數(shù)法和坐標(biāo)系變換的基本原理建立了水下外骨骼機(jī)器人及其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系描述，并推導(dǎo)了機(jī)器人所有連桿的D-H參數(shù)及兩任意相鄰坐標(biāo)系的變換矩陣。為保證潛水員佩戴外骨骼機(jī)器人后具有良好的人機(jī)

2、協(xié)調(diào)性，研究了人體標(biāo)準(zhǔn)自由泳運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并獲取了髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的理想運(yùn)動(dòng)曲線，并以此作為水下外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)曲線。基于算法計(jì)算效率的角度闡述了使用牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)迭代算法應(yīng)用于水下外骨骼機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。依據(jù)機(jī)器人幾何模型對(duì)腿部慣性張量進(jìn)行了計(jì)算，依據(jù)牛頓-歐拉算法的外推迭代過(guò)程完成了對(duì)從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)到大腿、小腿連桿質(zhì)心慣性力和慣性力矩轉(zhuǎn)換的推導(dǎo)。著重考慮了機(jī)器人在水下的受力問(wèn)題，對(duì)沿腿方向的壓力分布形式進(jìn)行了假設(shè)，并使用力等效法將打水

3、的分布?jí)毫Φ刃榧虞d到連桿末端的集中力和等效力矩。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)腳蹼打水產(chǎn)生的動(dòng)力進(jìn)行了求解，并依據(jù)牛頓-歐拉算法的內(nèi)推迭代過(guò)程計(jì)算出髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)所需的關(guān)節(jié)扭矩、功率及液壓驅(qū)動(dòng)力?；谒⒌膭?dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)器人大腿小腿桿長(zhǎng)對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了討論，同時(shí)也探討了為達(dá)到不同的水下前行速度機(jī)器人所需要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的問(wèn)題。利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)機(jī)器人腿部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液體壓力分布的求解，結(jié)果表明沿腿方向的動(dòng)壓力分布符合動(dòng)力