6自由度绳牵引并联起重机器人的研究进展

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6自由度绳牵引并联起重机器人的研究进展6自由度绳牵引并联起重机器人的研究进展
郑亚青
(华侨大学机电及自动化学院，辅泉州362021)
摘要： 阐述绳牵引并联机器人的优点及应用领域，介绍基于矢量封闭原理，按绳的根数与末端执行器自由度
数之间关系的绳牵引并联机器人的分类方法.指出每类机器人都呵作为起重机器人用于货物吊装，以及在机
构类型为欠约束的，由3根绳牵引的6自由度并联起重机器人的每个支链上加上1个移动自由度的杆支撑机
构，从而产生新型6自由度机器人系统的概念.研究该类机器人机构构型配置与吊具可控工作空间的关系，提
出简化而可行的反镭制策略，以实用化吊具轨迹跟踪控制方案.拓展该新型6自由度机器人系统的含义，提
出含3个剐柔混合支链的6自由度并联起重机器人的概念，并将其应用到对大型造船门式起重机的改造上.
关键词：刚柔混合支链；绳牵引，并联机器人，吊具
中图分类号：TH 213.01 文献标识码：A
绳牵引并联机器人的分类
绳牵引并联机器人，是指采用绳索代替传统连杆作为驱动元件的并联机器人.该机器人具有结构
简单、惯性孝工作空间大和运动速度快等优点.20世纪80年代，美国国家标准与技术研究院(NIsT
研制了用于吊装的绳牵引并联机器人RoboCrane[1l，先后出现应用于物料搬运、工业加工、虚拟现实和
体育训练等领域的样机，并逐渐成为-个新的研究领域[z].
根据矢量封闭原理，绳牵引并联机器人-般分为以下4类[6]：(1)当仇-咒时，为不完全约束定位机
构(II心Ms).其中，m为绳的根数，，l为末端执行器的自由度，下同；(2)当m-1，z时，为完全约束定
位机构(CRPMs)；(3)当m>l咒时，为过约束定位机构(RRPMs)；(4)当m<咒时，为欠约束定位机
构(URPMs).这4类的绳牵引并联机器人都可引入到起重技术中，产生绳牵引并联起重机器人的概念.
由于绳牵引并联起重机器人的吊具(即末端执行器)，-般要进行3个空间平动运动与3个空间转
动运动(即6自由度的运动).因此，仅探讨6自由度绳牵引并联起重机器人.其中，6根绳牵引的6自由
度的RoboCrane属于第1类.对于此类不完全约束机构，当末端执行器有外力作用时，最多有1组绳张
力的解(奇异位姿除外).
Kino等[7]提出的7根绳牵引的6自由度并联机器人属于第2类.对于此类完全约束机器人机构，
除奇异情况外，绳张力的解空间为力雅可比矩阵的-维仿射子空间，求解较为容易.
Bostelman等[8l、耿永锋等[引、郑亚青[”]提出的8根绳绳牵引的6自由度的并联起重机器人属于第
3类.从机构学上看，这类绳牵引并联机器人系统属于过约束定位机构.同时，由于绳的根数大于末端执
行器的自由度数，属于冗余驱动范畴，在控制过程中需要实时优化分配绳的张力，增加控制的难度.此类
绳牵引并联机器人本质上是复杂的时变、强耦合、多输入多输出非线性系统，每个控制任务本身就是-