模块化多关节绳驱动并联机器人设计

绳驱动并联机器人具有惯性低、容易调整、质量轻、出现损耗容易更换等优点，应用前景广泛。但是绳子的柔性特点造成其运动时所需的控制电机数量要大于其运动自由度的数量且执行机构刚度不够，这样造成控制困难，控制精度低、环境适应性差等问题。为了解决这些问题，需要降低电机数量和提升机器人的刚度，本文基于标准万向节铰链，通过刚柔结合原理，实现了并联机器人的少电机、模块化、多关节绳驱动，并通过求解其运动学和轨迹规划，使其末端能够实现圆形轨迹。

绳驱动并联机构就是通过使用绳索来进行传动的一种并联机构， 相比传统的机械结构绳驱动损耗小， 结构相对简单，有很好的韧性，运动机构质量小，同时具备并联结构承载能力强的优点[1] [2] [3]。在航空领域、先进医疗设备、空间操作等领域都有着广泛的应用[4] [5] [6] [7] [8]。较为突出的就是在医疗行业的使用，国内针对腰部康复训练过程中如何协调控制患者骨盆运动轨迹的问题，设计了由六根绳索牵引的四自由度并联机器人，并取得良好的反响[6]。绳驱动并联机构被应用于飞行器的驾驶模拟，代替了之前飞行员试飞的方式， 大大降低了危险性[7] [8]。

绳驱动并联机构在康复救援方向上也得到了大量应用， 如法国INRIA 公司的Merlet 和D.Daney 提出了一种用在救援行动中的全尺寸、便携式、模块化、完全自主的平行绳索起重机，可以通过热成像定位受害者，并在受害者静止时将他们移动到安全的位置，降低了搬运过程中对伤员的二次伤害[3] [4] [5]。绳驱动并联机构也被应用到大空间、全方位的摄像中，如美国的August Design 公司早在1984 年便研发了Skycam 系统摄像系统。

通过将绳驱动并联机构与摄像技术相结合，有着传统拍摄系统不可比拟的优势，绳驱动并联摄像系统的视野范围更加开阔，不仅可以在开放空间内对任意位置进行全方位拍摄，而且摄像的灵活性也比传统的摄像系统有着很大的提高，工作空间也更大[5] [9] [10]。我国在绳驱动并联机器人上的研究相对较晚，但发展迅速。最近几年，我国各大高校学者在绳驱动并联机器人的研究工作上取得了较大进步，越来越多的学者对绳驱动并联机器人进行研究，并取得了较大的成果。500 米口径球面射电望远镜(FAST)的绳索驱动支撑馈源系统是其中最令人瞩目的成果，FAST 的绳索驱动馈源小车就是一种绳牵引并联机构[11] [12]。

虽然绳驱动并联机器人具有惯性低、容易调整、质量轻、出现损耗容易更换等优点，但是绳子的柔性特点造成其运动时所需的控制电机数量要大于其运动自由度的数量且执行机构刚度不够，这样造成控制困难，控制精度低、环境适应性差等问题。为了提升应用范围，降低电机数量和提升机器人的刚度， 本文基于标准万向节，设计了一种少电机、模块化、多关节绳驱动并联机器人。本文将对此机器人的结构、工作原理以及运行情况进行论述，为此类绳驱动并联机器人的应用奠定基础。

2. 模块化多关节绳驱动并联机器人结构与工作原理 2.1. 结构 模块化多关节绳驱动并联机器人的结构示意图，如图1 所示，其主要组成部分包括末端执行器、绳索、步进电机、万向节等组成，其三维结构如图2 所示，实物如图3 所示。