柔索驱动并联机构

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1、柔索并联驱动机构：运动接口的应用在过去的十年里，柔索驱动并联机构已经在一些领域得到应用。这篇摘要提出了一•种新型的应用，即使用两个六自由度柔索张动并联机构共亨一个公共的工作区间來获得运动接口设计的力学基础。这种方法用来发展机制的建模，并描述了两个用于几何优化的主要准则。这些准则是基于扳手关闭工作区间和运动接口所冇实体间的干扰检测Z上的（电缆和运动主体）。然后给出其最终设计及其演示过程。最后，为了校核运动接口设计的机械相关性，需要计算电缆拉力看其最大值是否符合典型人类步态轨迹。关键词:柔索驱动并联机构，优化设计，运动接口1.简介柔索并联驱动机构可以克服传统机构

2、的一些缺点。打传统机构和比，它们可以产生很大的加速度和工作区间。这些优势使其貝有广泛的应用前景，因为我们可以用这种儿何实现以前不可能完成的演示。因此，很多研究人员已经致力于柔索驱动机器人，并提出了一些评价它们动态工作区间和动态特性的分析途径。而且，柔索并联驱动机构在许多应用背景下得到研究，例如运用电力驱动系统的虚拟运动机器，二维电缆连接触摸界面，用了柔索并联驱动机器人的高速机械手和飞行模拟器。本文将提出运用两个柔索并联驱动机构共用一个工作区间來设计运动界面。一些概念曾出现在关于步行模拟器设计的著作中。其屮的每一个都可以再现人类步态的一些特性。举例来说，最知名

3、的实现全方位行走的设备是全方位跑步机（ODT）,环面跑步机，以及滚珠轴承岡盘平台（OBDP）o然而，这些设计不能复制不平的地形或楼梯。其他概念例如HapticWalker允许更人步行幅度范围的仿真。该设备能够执行大部分的步行轨迹，然而脚仅限在垂直平血上移动。最后，一个已知最新的概念被称为虚拟步行机（VWM）o此机可在各种地形实现人体步态，并指岀一个优势即在仿真的过程屮卅户可以随时改变方向。同样，木文提出设计的H的在于通过用柔索并联驱动机构取代传统并联驱动机构来改善虚拟步行机（VWM）的性能。事实上，一个柔索并联驱动机器人的运动部件比传统并联机器人的轻，从而产

4、牛•更大的加速度以更准确地再现自然行走过程中大多数不平地形，楼梯,沙地等的感觉。而且柔索驱动机制具有比传统机制人得多的工作区间。因此，理论上可以设计一个具有较人工作区间的运动界而。然而，有线机构也存在自己的局限性，最主要的一点就是电缆的单向性，导致n自由度需要n+1根电缆与Z相配。而H•电缆与电缆Z间、电缆少工作区间的其他对象Z间可能相互产生干扰。如果机制刚度没达到要求末端执行器甚至会产生振动。本文的目的在于建立有两个完全相同的柔索并联张动机构的运动界面。为此，提出一种方法优化将要使用到的建模。首先，要求每个平台精确再现人类步态轨迹的的规范必须介绍清楚。其次

5、，为了确定一个合适的儿何形状，提出了运用连续算法和遗传算法作为循环过程的解决途径。每个算法包含两个主要准则。例如，基于扳手闭合工作区间和运动接口所有实体（电缆和运动主体）间机械干扰探测的校核。最后，得到最佳儿何形状并评价其性能。同时由人类步态轨迹计算出电缆以确保机制的使用性。2•工作区间要求每个平台必须由电缆驱动并「L有六个口由度，用以完成规定笛卡尔工作区间内的各种运动。六口由度如图1所示，立方体表示规定的平移工作区间。表1显示了系统必须达到的位Fig.1Prescribedworkspace1?Fig.2Schematicofthebasicconcept

6、移和偏转的范围，以使用户能执行一系列不同的轨迹。假设活动区间类似于一个人小为2.0X0.6Xl.0m3的长方体，该人小的活动区间能给用户提供一次舒适的步行体验。同样，假设转动范围屮为正负20•,（）为正负45•，①为正负45-适于再现不同地形上的人类步态。事实上，人们知道人类关于0方向上的旋转如人约为70。因此被动旋转关节被列入脚和平台之间以使用八完成e方向剩余的25度角（见笫五页图13）o最后，用于控制平台的电缆数目必须减少到最小以使潜在干扰的风险降到最低。Table1RangesofdisplacementandrotationDisplacementR

7、otationAxisRange(m)AngleRange(deg)X±1.0±20Y±0.3e±45Z±0.50±453•初步设计为了满足以上所有要求，最初的儿何形状必须直观并以之作为优化的出发点。这个构架如图2所示（图中基本框架的大小为2X2X2m3,末端执行器大小为0.35X0.35X0.35m3）0山图示可知有8根电缆将末端执行器连着到基本框架（电缆标号为1到8）。事实上，众所周知至少需要7根电缆来完全限制六自由度平台。但我们选择使用8根电缆来获取一个更大的扭转闭合工作区间（WCW）。此外，电缆交叉布置以完成规定的旋转范围。事实上，电缆交叉布置通常会

8、增加工作空间的角度范围并使之成为一个更大的扳手关闭空