题目：线驱动拟人臂机器人机构设计与运动学研究

本文基于人臂仿生理论和并联机器人的最新研究成果，对一种新型线驱动拟人臂机器人进行了分析与设计。采用一种四线驱动的三自由度球面并联结构替代拟人臂的肩、腕关节，用二线驱动的回转关节驱动代替肘关节，组成一种串并联的混联结构。它结合了并联结构和绳索驱动的优点。本文首先介绍了这种新型线驱动拟人臂机器人具体的结构设计，研究了驱动绳索的走线方式、驱动电机的布置及各关节之间的耦合情况。然后主要对肩、腕关节的并联机构进行分析，得出线长与表示运动平台姿态的欧拉角的关系以及运动平台的工作范围。在此基础上对机器人前向运动学进行分析，给出末端相对于基础坐标系的位姿正解，由此得出机器人末端的可达工作空间。在逆运动学分析中，先以旋量理论为基础，求出了机器人前向运动学指数积公式的表示。针对7-DOF机器人的逆运动学求解问题，分析了几种冗余度机器人的逆解算法。对于线驱动拟人臂机器人，首先采用关节速度再分配法，结合运动学优化指标，先对关节角求速度级逆解，求出在给定位姿时各关节角的角度，然后确定其中一个关节角，将冗余度机器人转化为非冗余度机器人进行处理，用Paden-Kahan子问题法求其他关节角的大小，这相当于对所求的关节角进行了二次优化，得到更为精确的位置级逆解。最后由关节角与绳长的关系来确定驱动电机上绳索的长度变化。为了验证运动学前向、逆向解法是否正确，本文在ADAMS下进行了建模仿真。对于前向运动学，由给定的三组算例，在ADAMS下仿真，将ADAMS下测量末端位姿与计算结果进行了对比验证。对于逆向运动学，采用直线插补算法，对四种不同的逆解算法进行了对比仿真，验证了本文所提出的混合算法的正确性。