面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究

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1、硕士学位论文面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究ASTUDYONTHECABLE-DRIVENANDHYPERREDUNDANTMANIPULATORFORTHENARROWSPACEOPERATIONS刘天亮哈尔滨工业大学2016年7月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究硕士研究生：刘天亮：导师：徐文福：教授申请学位：工：学硕士学科：机械：电子工程所在单位：深圳研究生院：答辩日期：201：6年6月授予学位单位：

2、哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:TP242U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringASTUDYONTHECABLE-DRIVENANDHYPERREDUNDANTMANIPULATORFORTHENARROWSPACEOPERATIONSCandidate：TianliangLiuSupervisor：Prof.WenfuXuAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEngineeringSpecialit

3、y：MechatronicengineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要在灾害救援、核与辐射设备检修、有毒废料采样、管道监测等方面，由于空间狭小且面临较大危险，不适合人或大型装备进入以开展工作，因此，体型纤细、运动灵活的超冗余机械臂成为一个重要选择。由于传统关节式机器人的机电部件安装于机械臂杆件连接处，且质量较大

4、，外形尺寸和载荷比难以满足狭小空间作业的要求。本文研制了外观曲率连续的绳索驱动超冗余机械臂，具有良好弯曲特性和极其灵活的运动能力。根据狭小空间作业的应用需求，分析了机械臂的功能和性能指标要求，设计了一套超强运动能力的绳索驱动超冗余机械臂。该机械臂由10个模块化双自由度关节、绳索装置、传动机构以及驱动控制箱组成，具有20个自由度的运动能力。电机、传动机构及控制箱（机电部分）集成在根部并封装在一个箱体中，作业段（称为操作臂）仅包含连杆和万向节，大大减轻了运动载荷，提高了传动效率。为实现多个自由度的协同控制，开发了具有三层架构

5、的控制系统，即远程遥控与监控层层、规划与控制层以及运动执行层，具有CAN总线、串口转USB及NRF无线通信等模块。以视觉检测为实际应用案例，机械臂末端携带了无线相机，可将观察到的视频通过无线链路传递到用户界面。基于开发的机械臂，推导了运动学解算方程并规划了其典型的运动轨迹。采用传统的D-H法建立了机械臂的关节空间与操作空间的映射关系；采用几何分析的方法，得到了机械臂驱动空间与关节空间的解耦方程；针对机械臂的典型作业任务，规划了其运动轨迹，并且该运动学解算及轨迹规划算法的准确性在Matlab和Adams的联合仿真环境下得到

6、了验证。根据机械臂系统的设计，进行样机研制，并展开了实验验证。实验结果表明，运动学解耦算法能有效地对绳索驱动机械臂的运动进行解耦计算，所研制的绳索驱动超冗余机械臂具有良好的弯曲特性以及灵活的空间运动能力，满足复杂的狭小空间环境下作业的要求。关键词：绳索驱动；超冗余机械臂；运动学解耦；狭小空间作业；弯曲特性IAbstractAbstractItisunsuitableforthehumanbeingsandlargeequipmenttoworkforthespecialoccasions,suchasthedisaste

7、rrelief,themaintenanceofequipmentinthenuclearandradiationenvironment,thetoxicwastesampling,pipelinemonitoringandsoon,duetothenarrowspaceanditsgreaterrisk.Therefore,thehyperredundantmanipulatorwithaslenderbodyandflexiblemovementhasarousedtheinterestamongscholars.T

8、hemechanicalandelectricalcomponentsoftraditionalarticulatedrobotareinstalledinthelinkconnectionofthearm,leadingtoitsseveraldisadvantages,includingthelargequali