关键词： 关节力矩估计   关节力矩传感器   柔顺控制   阻抗控制   零力控制  

摘要： 随着制造业的不断发展,出现了越来越多需要人与机器人协同工作的任务场景,这对于机器人的智能化提出了更高要求,协作机器人应运而生。协作机器人相较于传统的工业机器人有两大优势,即能够在关节层面实现外力感知以及主动柔顺控制。本文主要对协作机器人一体化关节的外力感知以及柔顺控制两个方面进行了研究。主要研究内容如下:以节约成本为前提,在不使用关节嵌入式力矩传感器的情况下,基于协作机器人一体化关节的谐波传动原理,提出了一种关节力矩估计算法。首先根据谐波减速器的结构建立了协作机器人一体化关节的谐波传动数学模型,然后根据卡尔曼滤波原理,结合鲁棒滤波设计了自适应卡尔曼滤波数学模型,最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,验证了所设计算法的正确性。虽然在不使用力矩传感器的情况下也能够实现关节力矩的测量,但是其精度却不如关节力矩传感器。因此,本文提出了一种新型力矩传感器的设计。首先根据需求确定设计目标后,提出了新型力矩传感器的设计方案,Solid Works设计了关节力矩传感器的三维模型,使用ANSYS对其进行了有限元分析以及拓扑优化,然后设计了传感器的形变测量系统,最后完成传感器整体的制作与安装,在标定实验台上对其进行了实验测试,最终得到其线性度为3.26%,灵敏度为1.02V/N·m。常用的人机交互机器人通常只能实现机器人末端与人的交互功能,本文在机器人关节层面实现了力矩感知后,对柔顺控制算法进行了研究。本文提出了一种用于拖动示教场景的基于力矩估计的零力控制算法,一种用于对力控要求较高场景的基于位置的阻抗控制算法以及以阻抗控制为基础改进的自适应力跟踪控制算法。两种控制算法都需要通过关节力矩估计算法来获得力矩估计值。在Matlab/Simulink中进行了模型仿真,初步验证了算法的可行性。最后基于本实验室设计的机器人一体化关节搭建了实验平台,在实验平台上完成了对本文所设计的基于力矩估计的零力控制算法以及基于阻抗控制的自适应力跟踪控制算法的测试,由实验结果可知所设计的柔顺控制算法相比于传统的柔顺控制算法能够达到更好的柔顺控制效果,跟踪延迟小于0.2s,跟踪误差小于0.5 N·m。

关键词： 协作机器人   物理人机交互   柔顺控制   变导纳控制  

摘要： 相较于传统工业机器人,协作机器人具有质量轻、安全性高、交互能力强等优点,通过与人进行触觉交互的方式被广泛应用于先进制造、医疗健康、社会服务等领域,作为下一代机器人的重点发展方向,其柔顺运动控制技术对于实现安全稳定的协作任务至关重要。因此,本文主要面向人与机器人通过物理交互完成协作任务的场景,针对协作机器人的柔顺控制算法进行研究。首先,为了建立机器人机械系统与运动控制系统之间的联系,本文以UR3 e六自由度协作机器人为研究对象,对其正、逆运动学与动力学进行分析。采用D-H法建立协作机器人的连杆坐标系并推导其正运动学方程,采用解析法对协作机器人逆运动学进行解算,并在Matlab机器人工具箱中对所建立的机器人正、逆运动学模型进行仿真验证,最后采用拉格朗日法建立其动力学模型。其次,为了设计有效的柔顺控制算法,对传统导纳控制进行建模与仿真实验研究。对阻抗控制与导纳控制原理进行分析,建立了基于速度的导纳控制模型,并通过Simulink仿真平台搭建了机器人导纳控制仿真模型,验证了导纳参数以及环境刚度对控制系统性能的影响,为后文进一步调整模型参数奠定基础。再次,针对恒定导纳控制在物理人机交互中的局限性,对机器人变导纳控制算法展开研究。依据机器人所受牵引力与运行速度信息设计了物理人机交互任务段分类策略,依据各任务段需求与阻尼系数特性的联系设计模糊规则,建立模糊变阻尼控制器,并为了进一步增强系统的稳定性,采用递推最小二乘法在线识别操作者手臂刚度,对刚度识别算法进行仿真验证,并依据刚度信息实时改变模糊变阻尼控制器中的实际阻尼系数调节范围上限,实现导纳参数的自整定。最后,搭建物理人机交互实验平台,对协作机器人进行Z轴方向的自由牵引运动实验,将基于刚度识别的变导纳控制算法与本文所设计的模糊控制结合刚度识别的变导纳控制算法做对比,通过对交互过程协作机器人的运动性能进行分析,验证本文所提出控制算法的有效性。

关键词： 磨抛机器人   末端执行器   结构设计   柔顺控制  

摘要： 打磨抛光行业工作环境恶劣,对操作工人的身体和心理造成极大伤害。随着中国社会的进步和中国制造产业的升级,应用工业机器人替代工人进行打磨抛光作业是该行业发展的趋势。打磨抛光机器人在作业时,需要对打磨抛光接触力进行精准控制。由于加工过程中的接触力与位置深度耦合,因此打磨抛光机器人的接触力精确控制是打磨抛光机器人开发的难点。论文针对打磨抛光机器人的接触力精确控制方法展开研究,设计了一款用于打磨抛光机器人的末端执行器,较好地对接触力和位置进行解耦,同时开发了基于改进PSO算法的模糊PID控制方法,实现对打磨抛光接触力的精准控制。论文的主要工作包括:第一,为了实现打磨抛光末端执行器柔性浮动、恒力打磨和快速响应的设计目标,论文运用功能需求-机械结构的映射方法,以打磨抛光末端执行器重量最小为约束条件,对打磨抛光末端执行器进行机械结构分析,设计了一款以气动马达和低摩擦气缸相结合的柔性打磨抛光末端执行器。第二,对设计的打磨抛光末端执行器系统进行数学建模分析。通过对系统中的电气比例阀流量特性、低摩擦气缸流量特性、气管流量特性和打磨抛光末端执行器动力学建模,得到了打磨抛光末端执行器系统的传递函数,使用MATLAB中的伯德图分析,得出该系统具有较强的稳定性。第三,对PSO算法进行改进,引用随机惯性权重,提高其寻优能力。在模糊PID控制方法上,采用改进PSO算法优化PID控制初值参数,得到了改进PSO算法的模糊PID控制方法。通过MATLAB仿真分析得出,改进PSO算法的模糊PID控制系统具有更快的响应速度以及更优良的鲁棒性。第四,利用设计的末端执行器搭建了打磨抛光机器人实验平台,采用开发的柔顺控制方法对打磨抛光末端执行器进行控制,开展了阶跃信号响应对比实验和恒力打磨抛光实验。实验表明基于改进PSO算法的模糊PID控制方法能够在对打磨抛光末端执行器输出接触力精确控制的同时,获得较高的阶跃响应速度;打磨抛光末端执行器输出的接触力误差可以控制在±1N之内。

关键词： 口腔影像作业机器人   安全碰撞   轨迹规划   肌肤接触   柔顺控制  

摘要： 口腔医疗影像技术是口腔临床医学体系中十分重要的组成部分，是临床诊断与治疗的可靠手段。传统的口腔影像作业通常需要患者手指按压感光板以及医师手持影像球管才能完成，但是由于作业过程中易出现患者手抖导致影像偏差、医师在术前术中术后投照摆位不一致的问题，会对口腔病灶诊疗判断产生重大影响。为确保口腔影像作业的高质量和高稳定性，采用柔性机械手以及协作机器人共同完成口腔影像诊疗任务，为提升作业效率、减少主观经验因素影响，降低操作人员的劳动强度提供了新思路，对加强医工交叉研究、促进临床医学协同发展有重要价值。　　为此，本文围绕柔性机械手及协作机器人的运动控制展开研究，从解决患者手抖导致影像作业不稳定问题入手，构建变刚度柔性机械手系统模型并探究其抑振控制方法;针对口腔影像作业安全需求，对机器人本体进行选型并进行运动学分析，研究口腔影像作业过程的机器人安全碰撞轨迹规划方法;考虑接触对象口腔肌肤软组织的非线性动力学特性，探究肌肤软组织接触机理;为实现口腔影像作业机器人与口腔颌面的安全接触，开展机器人自适应柔顺控制方法研究。为验证所提出运动控制方法的有效性，开展口腔影像作业机器人系统模拟实验研究。主要研究工作如下:　　(1)柔性机械手的动力学建模与抑振控制研究。为替代口腔患者手指按压操作，考虑变弯曲刚度提出末端负载柔性机械手的分布式参数建模方法;通过边界输入进行变刚度柔性机械手的控制设计，基于Lyapunov直接法对控制系统进行稳定性分析;对比常规和变刚度柔性机械手在运动控制后的动态特性;以弹性振动的加权组合为抑振指标，提出一种基于轨迹规划的变刚度柔性机械手的振动抑制控制方法，最后对优化后的控制抑振性能进行数值仿真验证与分析。　　(2)口腔影像作业机器人安全碰撞轨迹规划研究。考虑口腔智能影像作业过程的安全性和运行效率问题，对协作机器人进行选型，根据D-H法建立连杆坐标系并开展对机器人正/逆运动学求解的研究;讨论笛卡尔空间轨迹转换问题，构造设计五次B-spline插值曲线;考虑机器人关节运动时间与安全碰撞指数两个耦合矛盾性能指标，结合空间障碍约束、运动和动力学约束条件，建立机器人关节安全碰撞轨迹优化模型。　　(3)口腔颌面肌肤软组织接触建模研究。针对口腔影像作业中颌面接触问题，对弹性界面形变的基础理论进行介绍，分析口腔颌面肌肤软组织的基本生物力学特性，重点阐述各种受载情况下的动力学接触模型;通过推导考虑能量耗散的一般接触力模型，提出一种针对肌肤软组织力学特性的非线性表征方法;分析智能优化算法辨识的优势，对不同的非线性接触模型进行参数辨识，通过算例仿真验证粒子群参数辨识算法的准确性。　　(4)口腔影像作业机器人自适应柔顺控制方法研究。为实现影像作业过程影像球管与口腔颌面部的柔顺接触，建立机器人自适应阻抗控制系统;根据机器人运动学正逆解方程计算颌面接触肌肤的目标区域位置，基于Generic接触模型的参数辨识对机器人运动提供前馈预测，并针对输出的反馈力提出参考位置的自校正调整策略;搭建机器人柔顺控制实验平台，验证肌肤软组织接触力模型的准确性以及自适应柔顺接触过程的精准力位双重控制。　　(5)口腔影像作业机器人系统模拟实验研究。为验证口腔影像作业过程安全碰撞轨迹规划方法以及控制策略，对机器人实验系统进行整体设计;基于双目视觉的实时引导，开展口腔影像作业机器人作业过程颌面接触实验研究;通过分析反馈接触力误差，验证口腔影像作业机器人系统在诊疗操作过程中的有效性与安全性。

关键词： 随机障碍   运动规划   高斯混合模型   柔顺控制   人机协作  

摘要： 近些年,随着生产工艺要求的不断提高和工作环境逐渐复杂化,传统工业机器人固定单一的工作方式已经不能满足要求。协作机器人以其灵活、可协作等特点经常和人工作在一起,逐渐被广泛的应用在生产生活中。为应对随机出现在机器人工作环境中的障碍物,本文提出以人机协作的工作方式实现避障同时完成任务,对于人机协作,首先需要机器人的自身运动具有良好的抗扰动性和鲁棒性,而且在协作过程中需要具有柔顺性。本文主要从机器人的运动规划和人机协作柔顺控制两方面进行研究,内容如下:对于机器人的运动规划方法,考虑到协作机器人的工作环境比较复杂,扰动较多,人工势场法、图搜索法等传统的运动规划算法会出现工作效率低、实时控制性差等特点,本文利用高斯混合模型(GMM)来实现对机器人的运动规划,这是一种基于概率模型的模仿学习算法,通过提取演示轨迹的运动特征,建立运动模型,可以实现对多维运动的规划和应对时间和空间上的扰动。首先需要提供N条基于任务的演示轨迹,然后建立由K个高斯概率分布组成的高斯混合模型,对模型中的参数估计与优化,确保得到的模型是稳定的,全局收敛到目标点;同时对实验中用到的UR10机器人的运动学进行分析推导,最后在UR10机器人上完成实验验证了该算法的有效性。对于人机协作过程中的柔顺控制研究,首先建立人机协作时的等效阻抗模型,然后对模型中的参数进行分析得到其对人机协作过程中的影响;对力传感器的信号进行滤波处理与重力补偿的分析;考虑到工作任务的特点,设计了基于位置和力的动态阻尼的便阻抗控制;对于人机协作中主被动角色的确定,本文提出了人机协作系数,可以实现协作过程中角色的平滑转换;最后结合运动规划算法与阻抗控制设计了整体的控制策略,确保协作过程中的柔顺性。最后对本文中的运动规划与柔顺控制算法进行实验验证。首先搭建实验平台,包括软件和硬件两个方面,并模拟存有随机障碍物的机器人工作环境,设计人机协作实验,对实验相关数据进行记录并分析,验证本文提出算法的有效性并具有实际的应用价值。

关键词： 三维点云   位姿估计   目标检测   导纳控制   机器人装配  

摘要： 零件装配是工业生产中的重要环节,传统的装配流程大比例地占据了生产周期并大幅度消耗了生产成本。因此,在迈向智能制造的进程中,机器人自动装配技术越来越受关注。然而,在实际的机器人零件装配场景中,存在零件位姿不确定、零件种类多、零件配合间隙小、装配卡阻等问题,所以机器人自动装配仍面临瓶颈与挑战。本文面向机器人柔顺装配圆轴与圆孔零件的问题,建立了基于3D视觉、图像检测与柔顺控制的机器人自动装配系统,提出了基于三维点云的圆孔轴线位姿估计、图像深度学习的零件检测及导纳控制相结合的装配策略。主要工作如下:(1)设计了机器人装配的硬件平台并开发了软件系统。以3D相机和单目相机构建视觉感知和定位模块,以六维力传感器构建力感知和柔顺装配模块。(2)建立了基于图像深度学习的零件检测定位方法。该方法首先准确地检测出零件台上的圆轴或圆孔零件,并进一步定位零件的中心。零件检测定位结果,一方面可以引导机器人抓取圆轴零件,另一方面可以作为圆孔零件的初步定位。(3)针对圆孔零件的位姿估计问题,将圆孔零件位姿抽象成圆柱中心轴线位姿,并提出基于三维点云的圆孔轴线位姿估计算法。首先,基于点云法线和RANSAC的方法初步估计轴线;接着,利用圆柱和截面椭圆的几何关系进一步精确地计算轴线,其中采用了基于Sampson距离的椭圆拟合方法,再利用拟合的椭圆鲁棒地估计圆柱体;最后,根据圆柱中心轴线确定圆孔的位姿。(4)面对圆轴至圆孔的柔顺导纳问题,建立了基于机器人导纳控制的柔顺导纳方法。该方法使机器人在导纳圆轴零件时,顺应环境外力,避免了剧烈的刚性碰撞和卡阻现象,实现了柔顺装配。(5)进行了仿真模拟与实际的装配实验。在噪声和离群点的干扰下,椭圆拟合和圆柱估计方法可以取得较高精度的结果。在外力的干扰下,机器人表现出良好的柔顺性。圆孔轴线位姿估计的角度均方根误差为0.251°,位置均方根误差为0.407 mm,与现有流行的轴线估计方法相比,所提方法的精度更高。3D视觉结合图像检测和柔顺控制的装配策略可以满足机器人圆轴孔零件装配的精度高、柔顺、稳定可靠的要求。

关键词： 大行程   柔顺并联机构   微动平台   运动静力学   激光干涉仪  

摘要： 基于柔顺并联机构的微动平台具有定位精度高、无摩擦、无磨损、无间隙、较少装配等优点,在扫描探针显微镜、生物操作、微装配等领域有着广泛的应用前景。然而微动平台的行程受柔性铰链运动范围的限制,制约了微动平台应用的进一步拓展。本文面向上述领域对毫米级行程、微/纳米级定位精度的需要,针对柔顺并联机构大行程和高精度、高动态响应之间的矛盾,在大行程平面三自由度柔顺并联机构设计、建模,以及微动平台末端位姿测量和控制等方面开展相关研究,主要工作如下:(1)大行程平面三自由度柔顺并联机构的设计。以大行程、高精度、高紧凑性和整体加工为目标,采用基于柔顺梁的复合柔性铰链和音圈电机驱动,设计了大行程3-PPR平面柔顺并联机构。为提高运动精度,采用轴漂小的梯形铰链作为被动转动关节。同时将末端平台和音圈电机分别内嵌于梯形铰链和主动平动关节内,提高机构的紧凑性。(2)柔顺并联机构的运动静力学建模方法。首先,在小变形假设下,提出了基于柔度矩阵法的线性运动静力学建模方法。该方法通过柔顺梁的柔度矩阵和坐标变换表达机构任意支链上柔性铰链之间力-位移关系,进一步应用叠加原理导出机构的运动静力学模型,从而避免复杂的内力和位移计算,提高建模效率。此外,针对大行程柔顺并联机构支链间的力、位移耦合,以及柔顺梁应力刚化效应引入的几何非线性,提出了基于梁约束模型的非线性运动静力学建模方法。基于梁约束模型,推导柔性铰链的非线性近似解析模型,同时联立末端平台的力平衡条件和支链的位移协调方程,建立柔顺并联机构的非线性迭代运动静力学模型。该模型能有效描述柔顺梁大变形下的应力刚化效应,提高非线性迭代模型的求解效率。(3)柔顺并联机构多目标尺寸优化设计。通过对柔顺机构主要动、静态指标的定性分析,明确了行程与精度、动态响应、支撑刚度和机构紧凑性之间的矛盾可以通过机构刚度予以表征。因此,提出以输入柔度和固有频率为优化目标函数,支撑刚度为约束条件的多目标尺寸优化设计模型。利用该模型对3-PPR柔顺并联机构进行了尺寸优化。(4)微动平台高精度轨迹跟踪控制。首先设计了基于激光干涉仪的微动平台末端位姿测量反馈系统和基于倍福工控机的运动控制系统。分析了微动平台末端位姿测量误差的主要来源并建立平面镜测量模型,进一步设计实验对测量参数进行标定,提高了末端位姿的测量精度。其次,针对微动平台存在的轴间耦合、外界干扰等不确定性,提出了基于扰动补偿趋近律的自适应离散滑模控制器。通过对扰动进行观测并动态补偿至趋近律以及切换增益自适应,有效降低离散滑模控制器的稳态抖振,提高控制精度。最后,在负载条件下,验证了离散滑模控制器的鲁棒性。上述研究是对基于柔顺并联机构的大行程微动平台设计与控制的有益探索,实现了微动平台的大行程高精度运动控制。

关键词： 手指康复机器人   深度摄像头   优化   柔顺控制  

摘要： 由于脑卒中、脊髓损伤等原因,越来越多的人在神经系统与心血管系统受损后会出现手部功能障碍,这给家庭和社会带来沉重的负担,我国的现状是“患者多、医师少”,针对上述问题,本文研制了一款手部康复机器人,以满足患者与社会的需要。首先,分析手指的生物学特性,确定手指关节的运动范围以及在康复时所需要的转矩,并用D-H法得到手指的运动学方程。依据运动解剖学原理,深入研究掌指关节在屈曲/伸展运动时的滑移现象,并采用深度摄像头探究该运动状态中掌指关节的转动与移动之间的映射关系,拟合出移动距离关于转动角度的方程,为手部康复机器人的机构设计建立基础。其次,分析并总结手部康复机器人安全和舒适等设计要求,开展机器人掌指关节、近端指间关节以及拇指的结构设计,在安装空间和穿戴舒适度等实际因素限制下,将上述函数关系、角度传动系数、杆长条件和传动角综合考虑,作为约束条件,采用遗传算法开展手部康复机器人优化,并完成机构运动学方程的建立。再次,根据运动学求解开展动力学建模研究,根据手部康复机器人的实际建模需求,在建立系统动力学方程的过程中,提出一种等效替代的方法用于简化计算过程;搭建系统的控制模型并进行仿真,手部康复机器人的底层控制采用PD控制器,采用试凑法整定PD控制器的参数,通过设计阻抗控制器,实现机器人运动的柔顺性,保证患者在训练过程中的安全。最后,完成手部康复机器人样机的搭建,软件系统采用QT搭建,分别进行了食指关节的被动康复实验、阻抗实验和基于压力传感器的主动康复实验,验证机器人的柔顺性与可靠性。

关键词： 头颈部肿瘤   内镜微创手术   软组织刚度   力跟踪   位置同步   间接自适应阻抗控制  

摘要： 头颈部肿瘤的发生区域解剖起来较为复杂,而鼻咽癌发病率居头颈部肿瘤的首位,机器人辅助内镜微创手术是其重要治疗方式。以鼻咽癌手术为例,由于其病理性质以及发病部位的解剖复杂性,在手术过程中需要进行软组织牵拉操作,使肿瘤充分显露,扩大手术器械的操作空间。在此过程中,安全性是机器人进行医疗辅助的前提,本文围绕头颈部双臂手术机器人辅助鼻咽癌手术执行牵拉操作时的安全控制展开。由于头颈部颅神经分布密集,手术的操作空间狭小,需要进行运动控制,使双臂在操作过程中无碰,精确且平稳的运行。此外,手术机器人柔顺控制也是保证手术安全性的重要环节,由于牵拉头颈部软组织时会出现局部组织刚度变化的情况,而接触环境刚度不确定会导致力跟踪效果较差,同时在两臂接触环境刚度变化不同及存在外部干扰的情况下,会令末端力和位置产生不同变化,而单臂位置偏移过大有可能导致双臂末端相对位置过限造成软组织撕裂,加大手术风险。 针对上述问题,本文提出了关于双臂手术机器人操作过程中运动控制和柔顺控制的研究策略,旨在提高其在医疗辅助中的安全性,论文具体工作内容如下: （1）对于本文采用的关键技术进行简要的阐述,分析双臂协调控制系统的闭环结构,对其中的软硬件组成,包括双臂手术机器人主体、末端力传感器以及软件架构进行介绍;其次,建立单臂正运动学模型,对逆运动学方程采取解析法求解;最后,采用接触式方法对双臂基坐标系进行标定,为双臂协调运动奠定基础。 （2）由于牵拉操作空间狭小,为保证双臂在协调运动中无碰、精确地运行,本文首先采用基于层次包围盒的碰撞检测方法,对双臂之间的碰撞进行检测。同时在Informed-RRT*算法基础上,针对其存在的目的性差、规划时间长、效率低等缺点进行了改进,最后结合双臂碰撞检测算法及改进Informed-RRT*算法,提出了双臂协调路径规划方法,并在仿真中对改进路径规划算法的效果进行了检验。 （3）针对牵拉头颈部软组织时会出现局部组织刚度变化,通过对阻抗控制误差的分析,可知该情况会导致力控制过程中产生较大的力跟踪误差,本文在此基础上采用间接自适应方法对传统阻抗控制进行改进。此外,由于两臂末端接触环境刚度不同或外部干扰可能导致双臂末端相对位置过限,产生安全隐患,因此在改进阻抗控制基础上引入同步思想,使双臂末端位置突变时保持同步,提高手术机器人系统的安全性,并在Matlab/Simulink中仿真验证了改进算法的有效性。 （4）为了验证设计的基于位置同步的双臂手术机器人间接自适应阻抗控制算法的效果,根据第二章中所述双臂控制系统结构构建了实验平台,并开展了双臂基坐标系标定结果反向验证以及力控制实验。实验结果表明,提出的改进柔顺控制算法能够有效地提升系统的力跟踪性能,提高双臂位置变化的同步性,同时也验证了系统的鲁棒性。

关键词： 绳驱超冗余机械臂   力感知   位置控制   柔顺控制  

摘要： 绳驱超冗余机械臂在狭小空间、非结构化环境中具有广阔的应用前景,然而,由于存在绳索变形、绳孔间隙等非线性因素,当前大多数绳驱机械臂存在运动精度低、抗外力能力差等问题,而且由于尺寸空间、载荷的限制并考虑器件成本,一般不安装外力传感器,这对需要执行精细操作时的控制进一步提出了挑战。为解决上述问题,本文设计了一种具有驱动空间和关节空间双重感知的绳驱超冗余机械臂,并提出了不依赖于外力传感器的末端力感知和柔顺控制方法。针对绳驱机械臂驱动空间与关节空间存在非线性、不一致性映射导致的模型不确定性问题,设计了一种具有双重空间融合感知能力的绳驱超冗余机械臂,解决了由于模型不准确带来的控制精度低的问题。机械臂由操作臂和驱动控制箱两大部分组成,操作臂由多个连杆及万向节组成,具有超冗余运动特性,为提高臂形感知能力,在每个万向节内安装2套编码器;控制箱采用模块化的设计,用于驱动绳索运动,并安装了拉力传感器提供绳索拉力检测。通过融合关节编码器、绳索拉力传感器,可实现驱动空间和关节空间状态变量的高精度检测。进一步地,分析了整个绳驱机械臂关节空间与驱动空间、关节空间与工作空间的相互映射关系,建立了多重空间运动学模型。根据绳驱超冗余机械臂的结构特点和多重映射关系,建立了整个系统的牛顿-欧拉动力学方程,并提出了基于模型的末端力感知方法。由于从电机端到运动副之间要经过多个传递环节,摩擦特性复杂,绳索在不同位置的受力特性差异大,因而将经典动摩擦力学与机器人结构特点相结合,建立了绳索过绳孔的动摩擦力模型,将此模型融入牛顿-欧拉动力学,即可根据驱动箱内的绳索拉力逐级计算臂杆内各段的绳索拉力。基于前述模型,根据驱动空间和关节空间感知的绳索拉力及关节位置可实时计算末端操作力,实现了无外感知下的末端力感知目标。在解决了末端力感知问题的基础上,提出了一种融合末端导纳控制和驱动绳力位混合控制的绳驱超冗余机械臂复合柔顺控制方法,实现了末端精细操作和拖动示教的目标。最后,完成了绳驱超冗余机械臂的集成,并开展了运动精度、负载能力试验、末端力感知精度测试及柔顺控制实验。结果表明,所研制的绳驱机械臂具有较高的运动精度、较强的负载能力和力柔顺性。