并联机器人在人体振动环境模拟中应用与研究.pdfVIP

2013年环北部湾高校研究生海洋论坛 并联机器人在人体振动环境模拟中的应用研究 张召迁 摘要：在研究人体对振动的响应中，需要设计一种可以模拟多种振动环境的平台，来进行人 体振动实验。本文利用6．SPU并联机器人，进行6自由度的振动模拟设计。通过逆解分析， 计算了上平台运动和驱动杆之间的运动关系。采用电气液压伺服系统对驱动杆的运动进行控 制，提出了初步的控制方案。本文的工作是结合目前的研究需求进行的，深入的设计还需要 进一步的学习。 关键词：并联机器人；振动台；人机工程学 在人体在振动环境下的响应研究中，传统的方式是通过理论研究进行分析，但是人体的 复杂性决定了所有的理论研究都是会有偏差的。所以，在人体受振动影响的研究中，实验是 最准确的方式。 而在振动对人体的研究中，会涉及到许多的工作环境，我们不可能将实验都放置在各种 工作环境中，这样会耗时耗力，并且在某些环境下也会有危险性。更重要的是，在真实的环 境下，振动的影响因素非常多，实验容易受到不可控制因素的干扰。 因此，可以通过设计一种人体振动的实验平台，来人为的控制振动环境，实现对多种环 境的模拟。 1人体振动模拟台 人体振动效应的研究主要包括四个方面：生物动力学效应；生理效应：心理效应；病理 效应。而各方面的人体振动效应都主要由频率响应和幅度响应构成，因此研究人体振动效应 的研究内容也就主要是研究在不同位姿、不同振动作用方向、不同人体部位、不同振动频率 以及不同振动幅度条件下，振动对人体的影响状况。 为了实现多自由度的振动模拟，可以有串联和并联两种方式。利用串联机构即将所需要 的自由度传动机构依次串联，组成多自由度的振动平台，比如北京理工大学做的一个设计， 如图1。 争”n．鳃l囊带一篓#_璺囊。笔篝黪羲蠢鳜彰 r．蘩：j．瓣菇，鬟爨黪《； ““ 溉i警拳絮：黧0壕。扣篓。譬j．罄蕞辚孵一-、 j”、”{ 图1北京理工大学的振动台设计 但是串联机构虽然计算方法简单，设计方式条理，活动范围大的特点，但是有着许多局 限性。首先是其无法承受很大的负载，对人体的负载很难承受；另外由于采用串联方式，其 误差会有叠加的特点，因此误差很大；在运动控制中，主要需要求逆解，而串联机构的逆解 419 2013年环北部湾高校研究生海洋论坛 求解复杂。 而并联机构虽然计算和控制复杂，但是由于是多杆并联，因此可以承受很大的负载，并 且其误差较小；容易求逆解。 因此，本文利用6一SPU并联机器人，对人体振动环境进行模拟。 2机构分析 使用6-SPU并联机构进行设计。将下平台固定，其构件数n=6+6+1=13，运动副数 p=6+6+6=18。计算可得平台自由度为： F=6(n～p1-t-。：．f=6 因此，使用6-SPU并联机器人可以实现六个自由度的运动，实现对海洋环境三个方向 的振动和绕三个轴的转动的模拟。 分别在静、动平台上建立如图的坐标系Oxyz和Px。)，。z。，如图2。动平台的位置可以 用动坐标系A。y。zp的原点P在静坐标系中的坐标(x，y，z)来表示，姿态可以用欧拉角 ra，IIB，y，来表示，该组欧拉角通过一个姿态变化矩阵定义了动坐标系与定坐标系的一一对 应关系。动平台的位姿可以通过一个广义坐标向量X=Ix，Y，乙a，卢，)，．77表示。该机构的 关节变量分别为个驱动杆的长度，即，；=B，只(i=l，2，3，4，5，6)，也可以用关节坐标向量 q=[11，易，7，，L，‘，厶-77表示。因此，可以通过计算，得到x与q之间的关系。 图2 6．SPU并联机器人机构坐标系 2．1位姿分析 在静坐标系中，易知驱动杆的长度矢量为，f=OBi一∞ 其中OBi可以在静平台几何尺寸确定以后得到。oP,为尸点在静坐标系中的位置向量。 oP{=OP+R·P只 其中卯为动平台坐标系的位置矩阵，R为动平台坐标系的姿态矩阵。并联机器人的姿