论文摘要：绳驱动拟人臂机器人的运动控制和张力分析与研究

基于仿生学原理与绳驱动技术，本文综合分析和研究了绳驱动冗余拟人臂机器人在取得最佳拟人效果时肩、肘、腕三个部分的最佳构形设计问题、运动传递问题、机构耦合问题、运动控制问题、机器人静力学和动力学问题、绳索变形以及定位精度改善问题。本文首先研究了绳驱动七自由度拟人臂机器人的机构选型和实现问题，分别采用一种四绳驱动和六绳驱动的球面并联结构替代肩、腕关节，用二绳驱动的回转关节代替肘关节，将驱动电机布置在基座上的遥驱动串并联方案。针对绳驱动并联机构的固有缺陷，提出一种混合驱动肩关节。研究了绳索走线方式，并设计了一种绳索驱动单元和绳索传动装置。在绳驱动机器人的前向运动学分析中，首先根据绳长与关节姿态矩阵间的关系求出关节角，之后利用指数积公式得到末端唯一的位姿。在逆向运动学分析中，首先讨论了速度法、牛顿－拉夫逊迭代法、子问题法三种逆解算法，之后进行了绳驱动机器人逆向运动学分析。最后，通过Matlab和Adams联合仿真研究，证明正解、逆解算法的正确性，以及构型的可行性；同时从计算速度与精度两方面对三种逆解算法进行了比较。在机器人静力学分析中，由于采用绳索冗余驱动，绳索张力不仅产生对外作用力，还有一部分要在绳索之间相互平衡，通常将这部分称为内张力；本文提出一种在不解方程组的情况下，计算内张力的方法。推导了一种反映绳索速度与机器人末端运动速度关系的雅可比矩阵，利用该矩阵进行逆解运算，能充分利用关节冗余和绳索冗余的优点，并且优化能力更好；最后通过仿真研究证明该方法的可行性。在机器人动力学分析中，首先通过Newton-Euler法建立了动力学方程，推导出机器人动态情况下的绳索张力。研究了绳索弹性变形对机器人的控制精度的影响；最后提出一种误差补偿算法和一种任务空间的闭环控制算法来改善绳索张力带来的误差影响。最后通过机器人运动学、动力学仿真研究，证明绳索张力分析的重要性，以及误差补偿算法和控制算法的有效性。