● 摘要
本文的研究工作主要依托国家自然基金项目“具有关节角位置反馈的绳驱动拟人臂机器人动力学和张力问题研究”。课题从具有关节角反馈的绳驱动并联机构入手，对其结构设计、工作空间、运动学及动力学分析、刚度与精度研究以及运动控制方式等方面进行研究。改善了绳驱动拟人臂机器人运动控制复杂及精度低的缺陷，扩大其应用范围和实际使用价值。本文首先介绍了这种绳驱动拟人臂机器人结构分析与整体规划，研制了具有关节角反馈的绳驱动拟人臂机器人样机。通过对人手臂肌体结构特征和运动自由度的分析，将绳驱动并联机构应用到拟人臂机器人上，组成一种串、并联混合的七自由度机构。通过在绳驱动机构的约束机构上安装编码器，设计了一种具有关节角位置反馈的绳驱动球关节，由此实现拟人臂机器人关节角反馈控制。其次以拟人臂机器人上每个转动关节的变化角度为中间变量，分两部分推导了驱动电机的转动角度与末端位姿之间的运动学关系。由旋量理论推导中央七自由度串联支杆的运动学指数积公式。由绳长计算公式推导绳驱动并联机构的运动学公式，并对绳长弹性变形进行补偿。以拟人臂机器人样机作用控制对象进行实验研究。根据绳索所能承受的最大拉力及张紧所需要的最小预紧力，提出了一种基于张力可调工作空间的定义。在此工作空间内，均可通过对冗余驱动绳索的张力调节，达到保持其他各条绳索张力范围的目的。通过在平台上施加不同方向的力矩，讨论外力对其张力可调工作空间的影响。对于绳索冗余张力求解问题，根据绳索拉力的最低解、最高解及最优解的定义，重新对只具有一个冗余度的绳驱动并联机构的最优解进行定义，并给出相应绳索张力的分配和优化方法。利用拉格朗日法建立七自由度机器人的动力学方程，计算出机器人肩、肘、腕关节处的合力与合力矩，再根据张力优化分配，推导机器人力控制算法。结合关节角位置反馈的闭环控制算法，提出了相应的力位混合控制算法，由一根绳索进行张力控制，另外三根绳索进行位置控制，使其在保持一定张力的条件下实现位置闭环控制。对于当机构失去位置信息时的回零问题提出了相应的三步回零控制算法，将球关节的回零过程分为三步，每步只需对一个电机进行位置控制，另一个电机在保持一定张力的条件下作张力随动控制，其他两个电机不动。采用增量式编码器与限位开关相结合来判断机器人每个关节的原点位置，最终实现运动平台的回零。根据绳驱动机构的刚度等效模型推导绳驱动球关节的刚度矩阵表达式，利用平均刚度与刚度矩阵条件数的倒数作为评价指标，描述在其工作空间内的刚度分布情况。分析了引起机构刚度变化的几大因素，得出影响因素包括如绳索的拉力、机构的位姿和绳索本身的刚度等。通过仿真研究发现，只有在绳索刚度较大时，由张力变化引起的机构刚度变化可忽略不计。因此通过绳索上的张力调整机构实现绳索刚度随张力变化而变化，由此对机构进行变刚度控制。最后通过综合分析影响绳驱动机器人运动精度的各个因素，基于所提出的拟人臂机器人的串、并混联结构及关节的冗余传感信息，提出了绳驱动拟人臂机器人的集成两级自标定算法。为了使绳驱动模块的标定获得较高的精度，首先要完成中央支撑连杆的自标定，以此实现对每一个模块的误差补偿，这两步的自标定方法可以由一次实验所得的数据完成，最后通过仿真及相应的样机实验验证了所提出的自标定算法。