绳驱准连续型机械臂的动力学研究

黄玉平，贾龙飞，郭亚星，陶云飞，郑继贵

（1.北京精密机电设备研究所，北京，100076；2.航天伺服驱动与传动技术实验室，北京，100076）

0 引 言

在诸多领域中，定期的监测和维护是确保设备安全工作的重要方式，但由于此类设备具有复杂的结构，使得可供监测及维护作业的空间非常狭小，维修人员不易进行操作。为了顺利完成狭小空间中设备的监测和维护，机械臂被用来代替人类进行作业。此类机械臂需要具备穿越狭窄环境、回避障碍物的能力，并具有足够大的灵巧操作空间。

准连续型机械臂具有多个自由度，可呈现多种运动模式，可在狭小、复杂及非结构化的环境中执行任务[1]，且具有多目标优化能力，广泛应用于航天[2]、航空[3]、特种加工、核电站监测[4]、医疗[5]和灾害救援[6]等领域。由于准连续型机械臂采用绳索驱动的方式，具有多个自由度，而且驱动绳和臂杆之间存在摩擦力，为实现准连续型机械臂的精确控制，故需建立准确的动力学模型。

常用的动力学建模方法包括牛顿欧拉法[7]、Schiehlen 法[8]、Kine 法、拉格朗日法[9]等，其中拉格朗日法借助广义坐标，可极大简化建模过程，因此在实际工程中应用广泛。但如果模型中的自由度超过6 个或更多，则会大大增加拉格朗日方法的运算量，在实际应用中无法满足实时控制的要求。递归牛顿欧拉法在多个自由度的问题上，具有较小的运算量，故广泛用于建立准连续型机械臂的动力学建模。

针对准连续型机械臂的动力学研究，Yuan[10]建立了一种连续型机械臂的静力学模型，验证了在机械臂偏转角度较大的情况下，摩擦力对机械臂的运动精度影响较大。……