華達(dá)人，王堯堯,2，李彬彬，鞠 鋒,2，陳 柏*

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016; 2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前，繩索驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在相關(guān)研究和應(yīng)用領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人采用繩索作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，使得驅(qū)動(dòng)單元后置于底部基座處，大大減小了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與慣量，一方面大幅度提高了機(jī)器人的負(fù)載自重比，另一方面降低了機(jī)器人的功耗。同時(shí)，由于繩索自身的柔順性，使機(jī)器人在緩沖、吸振等方面有較好的性能，提高了交互安全性。然而，在采用繩索對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元置于基座位置，繩索的走線纏繞常常會(huì)導(dǎo)致多關(guān)節(jié)間發(fā)生運(yùn)動(dòng)耦合，使得關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)精度發(fā)生退化。

為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立，解決繩驅(qū)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。MIT大學(xué)的TOWNSEND W T等人[1-2]設(shè)計(jì)出了WAM繩驅(qū)動(dòng)七自由度擬人機(jī)械臂，采用差速繩索驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，使得4個(gè)繩索驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不發(fā)生耦合，目前已成功應(yīng)用在醫(yī)療、服務(wù)、科研等多個(gè)領(lǐng)域；韓國(guó)燃料循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)研究院的LEE J K等人[3-4]研制了基于滑輪-繩索驅(qū)動(dòng)的BTSM關(guān)節(jié)型主從機(jī)械手，設(shè)計(jì)了由動(dòng)滑輪組和連桿組成的解耦模塊，實(shí)現(xiàn)了相鄰關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)解耦[5]；Nebraska-Lincoln大學(xué)的ZHAO Bao-liang等人[6]提出了一種基于行星齒輪的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的繩索解耦機(jī)構(gòu)，并提出了一種與行星齒輪等價(jià)的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；德國(guó)Igus公司設(shè)計(jì)了模塊化的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人Robolink，采用自行設(shè)計(jì)的“Bowden cable segment”套管，通過(guò)繩索-滑輪和套索兩種形式相結(jié)合進(jìn)行走線實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)解耦，目前已做成模塊化產(chǎn)品。除此之外，也有一部分學(xué)者采用主動(dòng)解耦的方式，在算法上實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立。Stanford大學(xué)QUIGLEY M[7-8]的柔順7自由度機(jī)械臂采用軟件補(bǔ)償，在肩肘關(guān)節(jié)間、肩關(guān)節(jié)俯仰、偏航兩自由度方面實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)解耦；在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)陳偉海教授等[9-10]研制了擁有冗余機(jī)器人靈活性的擬人臂機(jī)器人，通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)學(xué)分析耦合關(guān)系進(jìn)行算法補(bǔ)償，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其正確性；東南大學(xué)王興松教授團(tuán)隊(duì)[11-12]設(shè)計(jì)了一種重力平衡的上肢外骨骼繩驅(qū)機(jī)器人，采用類(lèi)似剎車(chē)線構(gòu)型的繩索-套筒方式驅(qū)動(dòng)，避免了繩驅(qū)關(guān)節(jié)耦合問(wèn)題。

針對(duì)繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人存在的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，本文將提出一種繩驅(qū)動(dòng)被動(dòng)解耦機(jī)構(gòu)。

1 繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合分析

基于繩驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)常常與驅(qū)動(dòng)繩索走線穿過(guò)的前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相耦合。繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)耦合因前端關(guān)節(jié)的類(lèi)型不同而有著不同形式的耦合，最常見(jiàn)的繩驅(qū)動(dòng)串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)形式主要是俯仰關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

俯仰關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合分析示意如圖1所示。

圖1 俯仰關(guān)節(jié)繩索走線示意圖

由于繩索受拉不受壓，每個(gè)關(guān)節(jié)需要有兩股繩索驅(qū)動(dòng)其正反向運(yùn)動(dòng)。初始位姿下，后端關(guān)節(jié)左右驅(qū)動(dòng)繩索均在前端關(guān)節(jié)中心導(dǎo)向滑輪纏繞θ角度。

回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合分析示意如圖2所示。

(a)初始位姿

(b)旋轉(zhuǎn)后位姿圖2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)繩索走線示意圖

當(dāng)前端關(guān)節(jié)按如圖2所示方向旋轉(zhuǎn)θ1后，導(dǎo)致后端關(guān)節(jié)左、右驅(qū)動(dòng)繩索將沿著前端關(guān)節(jié)中心導(dǎo)向滑輪分別脫離/纏繞θ1角度的繩長(zhǎng)段，繩長(zhǎng)變化為：

(1)

式中：l1，l2—左右驅(qū)動(dòng)繩索與后端關(guān)節(jié)連接的末端的位移變化；r—繩槽半徑。

后端關(guān)節(jié)因此產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)繩長(zhǎng)的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，也即關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合現(xiàn)象，耦合的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角為：

(2)

式中：r1—后端關(guān)節(jié)的繩索驅(qū)動(dòng)半徑；θ2—后端關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)角。

因此可知，當(dāng)前端關(guān)節(jié)為俯仰關(guān)節(jié)時(shí)，前、后關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)存在線性耦合。

當(dāng)前端關(guān)節(jié)為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索經(jīng)過(guò)前端關(guān)節(jié)時(shí)走線方式如圖2(a)所示。前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿2繞當(dāng)前關(guān)節(jié)中心軸旋轉(zhuǎn)θ1角度。后端關(guān)節(jié)左右驅(qū)動(dòng)繩索由于連桿2上導(dǎo)線滑輪的作用，兩股繩索經(jīng)過(guò)前端回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)將發(fā)生扭轉(zhuǎn)纏繞，如圖2(b)所示。由于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索下側(cè)末端與基座處的驅(qū)動(dòng)單元固連，此時(shí)兩股繩索的上側(cè)末端均產(chǎn)生向下的位移，且末端位移大小隨著前端關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)呈非線性變化。由此可知：當(dāng)前端關(guān)節(jié)為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)，前、后關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)存在非線性耦合。

另外，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索扭轉(zhuǎn)纏繞，當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)較多時(shí)，多股后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索間的纏繞將對(duì)機(jī)器人本身的可靠性帶來(lái)不利影響。同時(shí)，隨著前端關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)纏繞的繩索內(nèi)部張力將逐漸增大，使得驅(qū)動(dòng)后端關(guān)節(jié)變得困難，一方面加劇繩索本身?yè)p耗，另一方面制約了繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制的可靠性和穩(wěn)定性。

由上述分析可知：當(dāng)前端關(guān)節(jié)為俯仰關(guān)節(jié)時(shí)，即前后關(guān)節(jié)軸線平行時(shí)，前、后關(guān)節(jié)間存在運(yùn)動(dòng)線性耦合；當(dāng)前端關(guān)節(jié)為其他關(guān)節(jié)形式，即前、后關(guān)節(jié)軸線不平行(上述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)軸線垂直呈90°)時(shí)，前、后關(guān)節(jié)間存在運(yùn)動(dòng)非線性耦合。當(dāng)耦合現(xiàn)象存在時(shí)，后端關(guān)節(jié)將不能穩(wěn)定、可靠地驅(qū)動(dòng)控制。

為此，研究人員需要尋求一種新型的繩索走線方式，在能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)的穩(wěn)定可靠地驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)前端關(guān)節(jié)與后端關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)被動(dòng)解耦。

2 繩驅(qū)動(dòng)被動(dòng)解耦模塊設(shè)計(jì)

2.1 被動(dòng)解耦模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，本文提出了一種模塊化的被動(dòng)解耦機(jī)構(gòu)。該被動(dòng)解耦模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 被動(dòng)解耦模塊結(jié)構(gòu)示意圖

從左往右依次是：固定輪、驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)(前側(cè))、解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)(前側(cè))、隨動(dòng)輪、解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)(后側(cè))、驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)(后側(cè))、主動(dòng)輪。主動(dòng)輪與中心軸由螺釘固定在一起，其余輪盤(pán)均通過(guò)法蘭軸承安裝在中心軸上，且軸向位移均被固定。其中，隨動(dòng)輪徑向兩側(cè)分別安裝有驅(qū)動(dòng)繩索轉(zhuǎn)向滑輪、解耦繩索轉(zhuǎn)向滑輪，用于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索和解耦繩索在解耦模塊中的走線換向。固定輪和主動(dòng)輪盤(pán)面上加工有通孔，用于解耦繩索固定和后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線滑輪的布置。圖中兩股解耦繩索繩長(zhǎng)相等且固定，解耦繩索前端與固定輪固定，經(jīng)過(guò)固定輪上通孔后穿過(guò)前側(cè)驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)上的通孔，然后由解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)的小孔進(jìn)入并沿前側(cè)解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)上的繩槽自上而下纏繞，到達(dá)隨動(dòng)輪上與解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)切合的解耦繩索轉(zhuǎn)向滑輪處，沿滑輪走線到隨動(dòng)輪的后側(cè)，隨后按對(duì)稱(chēng)的方式沿著后側(cè)解耦繩索導(dǎo)線盤(pán)繩槽，穿過(guò)驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)，最后到達(dá)主動(dòng)輪上與主動(dòng)輪固定連接。

驅(qū)動(dòng)繩索在被動(dòng)解耦模塊中走線方式與驅(qū)動(dòng)繩索類(lèi)似，進(jìn)入模塊沿驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)和轉(zhuǎn)向滑輪正反纏繞后出模塊。

2.2 解耦原理分析

被動(dòng)解耦模塊的工作示意如圖4所示。

圖4 解耦模塊工作示意圖

固定輪與關(guān)節(jié)基座固定，主動(dòng)輪與前端關(guān)節(jié)連桿固連。前端關(guān)節(jié)由置于基座處的驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)，通過(guò)前端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索傳遞運(yùn)動(dòng)和力。后端關(guān)節(jié)通過(guò)后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索驅(qū)動(dòng)，該繩索從基座處的電機(jī)出發(fā)，走線穿過(guò)運(yùn)動(dòng)解耦模塊后，與后端關(guān)節(jié)處的連桿固定。

解耦模塊解耦效果示意如圖5所示。

圖5 解耦模塊解耦效果示意圖

從繩索本身纏繞變化來(lái)看，當(dāng)主動(dòng)輪以圖5中所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，后端關(guān)節(jié)左驅(qū)動(dòng)繩索將沿驅(qū)動(dòng)繩索導(dǎo)線盤(pán)(后側(cè))繩槽脫離，與此同時(shí)，后端關(guān)節(jié)右驅(qū)動(dòng)繩索將沿繩槽纏繞，因此原因造成左、右驅(qū)動(dòng)繩索后側(cè)末端將產(chǎn)生位移，位移大小為：

(3)

然而因解耦繩索帶動(dòng)隨動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致左右驅(qū)動(dòng)繩索后側(cè)末端的速率與隨動(dòng)輪角速率的關(guān)系為：

(4)

左、右繩索因隨動(dòng)輪帶動(dòng)末端位移大小為：

(5)

式中：v1，v2—左、右驅(qū)動(dòng)繩索后側(cè)末端速度；s1，s2—左、右驅(qū)動(dòng)繩索因解耦模塊而產(chǎn)生的末端位移。

綜上以上不同類(lèi)型的繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，可見(jiàn)后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索在經(jīng)過(guò)該被動(dòng)解耦模塊后，繩索的末端不再有相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)量的被動(dòng)補(bǔ)償，且多股繩索間不會(huì)出現(xiàn)擰繩等不可靠的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人多關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)被動(dòng)解耦。

3 運(yùn)動(dòng)解耦性能驗(yàn)證

3.1 被動(dòng)解耦模塊驗(yàn)證平臺(tái)

為驗(yàn)證該被動(dòng)解耦模塊的解耦效果，筆者搭建了解耦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 解耦驗(yàn)證平臺(tái)示意圖

所涉及兩個(gè)關(guān)節(jié)軸線呈90°夾角，后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索從解耦模塊出來(lái)后直接驅(qū)動(dòng)后端關(guān)節(jié)。編碼器1讀取前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，編碼器2讀取后端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角?；幇惭b有前端關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)驅(qū)動(dòng)基座上的同步帶組件運(yùn)動(dòng)，由同步帶帶動(dòng)末端固定在在同步帶上的驅(qū)動(dòng)繩索，前端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索經(jīng)導(dǎo)向滑輪導(dǎo)向走線后直接驅(qū)動(dòng)前端關(guān)節(jié)正反轉(zhuǎn)。

由于驗(yàn)證解耦效果需要保證前后關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，本研究將后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索的前側(cè)末端與基座固連，等效于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元抱閘，隨后后端關(guān)節(jié)兩股驅(qū)動(dòng)繩索經(jīng)過(guò)被動(dòng)解耦模塊纏繞走線，從解耦模塊出來(lái)后直接驅(qū)動(dòng)后端關(guān)節(jié)。

解耦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體樣機(jī)如圖7所示。

圖7 解耦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)樣機(jī)

為驗(yàn)證該繩驅(qū)動(dòng)解耦模塊的運(yùn)動(dòng)解耦效果，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦性能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。對(duì)繩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的兩驅(qū)動(dòng)繩索進(jìn)行初始預(yù)張緊，實(shí)驗(yàn)中，前端關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在位置模式，對(duì)前端關(guān)節(jié)電機(jī)施加位置控制命令，驅(qū)動(dòng)前端關(guān)節(jié)作正弦往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)讀取兩伺服驅(qū)動(dòng)器的外部編碼器寄存器實(shí)時(shí)獲取關(guān)節(jié)編碼器1、2的脈沖數(shù)據(jù)信息，從而得到兩關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 解耦效果驗(yàn)證結(jié)果虛線—前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線；實(shí)線—實(shí)驗(yàn)中編碼器2所得后端關(guān)節(jié)在經(jīng)過(guò)解耦模塊后的關(guān)節(jié)角變化曲線

電機(jī)驅(qū)動(dòng)前端關(guān)節(jié)作正弦往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍在-90°～90°。根據(jù)前述關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系分析可知：若無(wú)被動(dòng)解耦模塊，后端關(guān)節(jié)由于驅(qū)動(dòng)繩索末端受前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)影響，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的耦合運(yùn)動(dòng)，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角的跟隨耦合關(guān)系如圖中點(diǎn)畫(huà)線所示；從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可知：經(jīng)過(guò)被動(dòng)解耦模塊解耦后的后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索帶動(dòng)后端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并未出現(xiàn)關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)耦合，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角近似一條水平線，也即前、后關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性好，說(shuō)明了該被動(dòng)解耦機(jī)構(gòu)具有良好的解耦效果。

但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線中也不難發(fā)現(xiàn)，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角在t=0 s、t=4 s、t=8 s、t=12 s等位置出現(xiàn)了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角偏移，偏移范圍在±2.9°。

后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)放大觀察如圖9所示。

圖9 后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化曲線

每個(gè)周期大致可分為A、B、C、D 4個(gè)變化階段。以第一個(gè)周期為例，在A1階段，前端關(guān)節(jié)開(kāi)始正向運(yùn)動(dòng)，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角向前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向的反向偏移了2.9°；在B1階段，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角保持不變；到C1階段，前端關(guān)節(jié)換向，后端關(guān)節(jié)向前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向的反向偏移了2.6°；在D1階段，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角不變，維持在-0.3°。對(duì)于A1、C1兩次轉(zhuǎn)角偏移，主要由于前端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方向發(fā)生變化，換向過(guò)程中，后端關(guān)節(jié)左右驅(qū)動(dòng)繩索和解耦模塊兩股解耦繩索發(fā)生松緊狀態(tài)切換，由于繩索本身有一定的伸縮性，導(dǎo)致解耦機(jī)構(gòu)的隨動(dòng)輪有一定的滯后轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)后端關(guān)節(jié)也發(fā)生一定的滯后轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者綜合造成A1、C1兩處的轉(zhuǎn)角偏移。對(duì)于D1階段，后端關(guān)節(jié)最終在一個(gè)周期后保持在-0.3°的轉(zhuǎn)角偏移，主要是由于制造、裝配誤差導(dǎo)致左、右兩驅(qū)動(dòng)繩索在解耦模塊中的走線存在輕微的不對(duì)稱(chēng)。

實(shí)驗(yàn)中，為減小A、C階段由于繩索本身伸縮性導(dǎo)致的轉(zhuǎn)角偏移，本研究先對(duì)解耦繩索加強(qiáng)預(yù)張緊，然后對(duì)解耦繩索和驅(qū)動(dòng)繩索同時(shí)加強(qiáng)預(yù)張緊，并將3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 加強(qiáng)預(yù)張緊力后后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線

圖10中：曲線1—原始數(shù)據(jù)；曲線2—加強(qiáng)解耦繩索預(yù)張緊后后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化曲線；曲線3—同時(shí)加強(qiáng)解耦繩索和驅(qū)動(dòng)繩索預(yù)張緊后后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化曲線。

對(duì)比曲線1和曲線2可以發(fā)現(xiàn)：在加強(qiáng)兩股解耦繩索的預(yù)張緊后，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角換向滯后時(shí)間更短，但轉(zhuǎn)角偏移增大，這主要是由于在解耦繩索張緊后，解耦繩索換向時(shí)松緊切換更快，從而能更早地驅(qū)動(dòng)解耦模塊中隨動(dòng)輪跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，從而消除前、后關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合，但也正是因此，減弱了后端關(guān)節(jié)跟隨前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合的同向轉(zhuǎn)動(dòng)變化量，由于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索伸縮性帶來(lái)的相對(duì)前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)反向的偏移沒(méi)有變化，相對(duì)于曲線1總體角度偏移增大；對(duì)比曲線2和曲線3可以發(fā)現(xiàn)：在加強(qiáng)解耦繩索預(yù)張緊后，再對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索加強(qiáng)預(yù)張緊，后端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角換向滯后時(shí)間不變，轉(zhuǎn)角偏移減小，顯然，由于后端關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)繩索伸縮性帶來(lái)的相對(duì)前端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)反向的偏移減小，最后轉(zhuǎn)角偏移減?。欢鴮?duì)比3條變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：由于加工裝配帶來(lái)的不對(duì)稱(chēng)誤差無(wú)法通過(guò)張緊措施來(lái)消除。

綜上實(shí)驗(yàn)分析可知：為改善被動(dòng)解耦模塊的解耦效果：(1)要適當(dāng)加強(qiáng)繩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各股繩索的預(yù)張緊力，以加快換向時(shí)繩索松緊邊的切換，從而減小運(yùn)動(dòng)滯后；(2)提高機(jī)構(gòu)的加工制造裝配的精度，減小由此帶來(lái)的不對(duì)稱(chēng)誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人存在的前后關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，針對(duì)繩驅(qū)關(guān)節(jié)耦合問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)解耦機(jī)構(gòu)，通過(guò)一種新型的繩索走線方式消除了繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人前后關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合；搭建了被動(dòng)解耦模塊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了解耦模塊具有不錯(cuò)的解耦效果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中所表現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)角偏移問(wèn)題進(jìn)行原因分析，針對(duì)預(yù)張緊力的影響效果進(jìn)行改進(jìn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了改善解耦效果的方式方法。

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的被動(dòng)解耦模塊，后續(xù)將進(jìn)行不同拉伸剛度的繩索進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)，未來(lái)將對(duì)解耦模塊的力位傳遞特性進(jìn)行建模，為被動(dòng)解耦的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人精確力位控制奠定基礎(chǔ)。