题目：蛇形机械臂的研制

蛇形机械臂外形细长，弯曲灵活，无论是在航空制造、核工业现场检测还是在现代医疗手术中都有着十分广阔的应用前景。本论文结合国内外连续体机器人和蛇形机械臂的研究成果，设计了一种新型基于球铰关节蛇形臂，建立了运动学模型，研制了系统样机，最后还进行了相关的实验研究及分析。本论文主要研究内容如下：（1）提出一种新颖的基于串联球铰的弯曲关节方案。建立了该弯曲关节的简化分析模型，对关节参数进行了分析，优化。每个弯曲关节使用三根绳缆通过电机进行驱动。（2）对蛇形机械臂的结构进行了详细的设计。主要包括：球铰关节，在球铰关节的间隙中防放置了用来保持关节弹性的橡胶垫片；针对绳缆只能传递拉力的特点设计了绳缆张紧装置和用于拉动绳缆的“笼”式拉线机构并对其中的关键零部件进行了有限元分析。（3）针对蛇形机械臂的特点，提出了一种新的更加简单的运动学分析模型。该模型将单个关节的复杂弯曲运动分解为用弯曲角和扭转角描述的简单的平动和转动。在该模型的基础上推导了机械臂运动学正解，分别使用了基于雅可比的数值法和遗传搜索算法计算了机器人运动学的逆解。此外，为了推导了机械臂关节空间与驱动空间之间相互转换的关系建立了关节的驱动模型。（4）设计了蛇形机械臂控制系统。在PC机上设计了上位控制命令输入界面，并在界面中实现了机械臂运动学的相关控制算法。完成了基于ARM的下位机运动控制器软、硬件的设计，该运动控制器由三块相同的电路板构成通过CAN总线相互连接。此外，为了配合运动控制器的电机控制，专门设计相应的电机驱动器。（5）进行了蛇形臂样机的实验研究。样机进行的实验主要有：单关节弯曲测试，多关节的弯曲实验和直线插补实验。在单关节实验中分别测试了各关节的弯转角和扭转角的性能，并对产生误差的原因进行了理论上分析说明。在直线插补实验中控制蛇形臂末端走出了一条直线。上述实验结果说明了样机机械和控制系统的有效性，同时也证明了本文提出的机械臂运动学模型的正确性。