1．目的及意义

1.1目的及意义

随着社会人力成本的上升以及全球工业化的进步，“机器换人”已经成为行业更迭的重点之一。目前，由于传统工业机器人精度高、速度快、效率高等优点，使得其在制造、装配、物流、医疗，甚至家庭等领域都展现出了极大的优势。在机械手作业时，驱动机构和控制单元分别驱动和控制相应关节运动。机械手的驱动方式一般可分为液压驱动、气压驱动、机械传动和电力驱动。随着伺服电机技术的发展，电机驱动逐渐成为机器人主要的驱动方式。传统的机械臂关节普遍采用电机、减速器、关节轴三者直接连接的传动机构，这种机构要求电机与减速器安装在机械臂关节附近，下级关节的电机与减速器成为上级关节的额外内负载，降低了机械臂对外负载能力，造成整体重量、体积和内部消耗的增加。

为了最大程度减少驱动件本身对于机械臂负载能力的影响,减小机械臂系统的尺寸,提高其负载能力,并且使得整体结构紧凑美观,为此提出利用钢丝传动机构来实现驱动件到末端负载的动力传递。采用绳驱动方案，可实现远距离传动而且结构复杂性小、末端关节驱动惯性大幅降低。本文借助绳索在机械臂传动中的优势，针对绳传动机械臂的结构设计展开详细地研究分析，对绳传动机器人的研究方面具有一定的参考价值。

1.2国内外研究现状

目前，绳驱动方式的机器人已在医疗手术、康复治疗、工业生产、教育服务等领域开始实际使用，对其结构、建模、控制方面的研究也在不断深入。国外方面，麻省理工学院Brian Rooks 等人提出了一种WAM拟人臂机器人，该机器人具有串行的机械结构，采用绳索—圆筒的驱动方式，目前，已逐渐应用于医疗康复、制造装配、科研教育等领域^[1]。德国达姆施塔特工业大学Lens T等人研制的绳驱4-Dof轻型柔性机械BioRob-Arm，负载可达2 kg，定位精度为1 mm，且能承受一定冲击，保证良好的交互安全性^[2]。意大利Cempini等人针对手指设计的三自由度康复机械手，可以较好地完成绝大部分的负重训练任务，已经成功应用于实际的医疗手术中，具有极高的商业价值^[3]。国内方面，北京航空航天大学研制了一款绳驱动7自由度仿人机械臂。机械臂所有的驱动电机安装在底座上，每条绳由一个电机带动，用 4条绳驱动的3 自由度球面关节，来代替传统机械臂的肩关节和腕关节，用 2 条绳驱动的回转关节来代替肘关节^[4]。上海交通大学闰婉等人提出了一种行星字形缠绕式机械臂,整个结构紧凑高效,在减轻质量的同时提高对外做功的能力,并且解决了环形缠绕产生的运动问题,同时增加关节的运动范围 ^[5]。东南大学吴青聪等人设计了一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，建立了双套索力矩传动模型并设计了相应的摩擦补偿控制器，通过实验验证了方案的有效性 ^[6]。华南理工大学范长湘等人研制了一种应用于轻型医疗的机械臂，该结构将驱动电机安装在机械臂外，通过同步带、绳索将动力传到各个关节。提出的机械臂结构既具有绳驱动的优点，又具有带传动的可靠性^[7]。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2.1研究内容及目标

设计一个含3个转动自由度的绳传动机器人手臂部件，转角不小90°，手臂能抓取最大重量5Kg。本文主要负责设计该机械臂的机械结构和绳传动方案。机械臂结构设计主要设计底座、大臂和小臂三个部分，应先确定机械臂基本技术参数后完成机械臂整体结构设计并进行结构校核。绳传动方案设计主要是先确定绳传动布局和电机布局并根据负载完成参数设计，然后确定绳和电机种类。最终根据机械结构和绳传动方案完成机械臂整体设计。

总体研究目标是设计一种绳传动机械臂，与传统的刚性连杆机械臂相比，本文设计的机械臂的主要特点是将控制各关节运动的电机转移到腰部，用绳索将驱动电机的动力传递到关节，进而带动关节运动实现机械手末端各种动作。这种结构的机械手可以减轻机械臂的重量，同时提高机械手的负载自重比和动态性能。

2.2技术方案及措施

这种结构的机械手初步设计具有以下三个自由度：腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰。而腰部回转、大臂俯仰2个自由度,设计本身的驱动装置靠近机械臂底座,仍旧采用普通设计方案，由电机直接驱动。肘关节自由度则通过电机驱动经钢丝传动机构实现。实现绳传动可有以下两种方案：

（1）常规绳驱动方式