题目：线驱动拟人臂机器人研究与开发

人类的手臂既有较大的工作空间，较好的承载能力，又有突出的灵活性。因此拟人臂机器人具有很好的实用价值。传统的拟人臂机器人一般为串联结构，电机安装于臂上增加了机器人的惯量和重量，减小了机器人的承载能力，同时也对高速运动和快速响应极为不利。针对这个问题，本文提出用线驱动并联机构构建拟人臂机器人的设计方法，有效克服了电机重量给机器人造成的不良影响。本文在总结线驱动并联机构研究现状的基础上，在不考虑现有技术限制的条件下，对线驱动这一概念所引出的一些全新理论问题进行深入研究，主要包括：线驱动拟人臂机器人的构型设计问题、运动学问题、动力学问题、绳索张力分配问题、绳索变形以及定位精度改善问题。本文了研究拟人臂机器人肩、肘、腕关节采用线驱动方案时机构的选型和实现的问题。提出三种线驱动并联球关节，以及两种单自由度转动关节设计方案，并研究了线驱动并联球关节结构参数的优化选择问题。基于此设计了一种十根绳索驱动和一种十四根绳索驱动的拟人臂机器人，具有重量轻、动态响应速度快和负载能力强等优点。针对线驱动机构工作空间小的固有缺陷，提出一种混合驱动的方案，它既能有效的增大机器人的工作空间，又能充分利用线驱动的优点。线驱动拟人臂机器人的运动学分析包括两个方面：前向运动学和逆向运动学分析。前向运动学通过给定各个关节的驱动绳索长度，由绳长与关节姿态矩阵间的关系，得出每个关节的转动角度，再利用指数积公式，求出唯一的机器人末端位姿。逆向运动学使用位移增量法求出机器人各关节角的解，再根据几何关系可以建立绳长与关节角的关系，从而得到各绳索的长度。由于绳索受张力会发生弹性变形，影响了机器人的精度，本文提出变形补偿算法克服张力变形的影响。使用位置控制方法使机器人完成轨迹跟踪控制任务。为了实现线驱动机器人的张力控制，研究了机器人的逆向动力学和绳索的张力分配算法。使用牛顿-欧拉方法建立机器人动力学方程，求解各被动关节的驱动力和力矩。将伴随变换和旋量理论运用到动力学方程中，简化了动力学模型，使方程便于编程实现。然后利用绳索的张力分配算法计算绳索张力的解，这种算法是一种解析算法，可以满足在线计算的要求。本文提出了一种绳索预紧力的在线计算方法，使预紧力可以根据机器人负载、末端速度和加速度的变化而动态调节，从而达到机器人刚度可变的目的。最后提出线驱动机器人的张力控制方法。与位置控制相比，张力控制具有节省驱动器能量的优点。