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当前带电作业主要依赖人工手段,难以有效保障带电作业人员的人身安全、提高作业效率。通过采用带电作业机器人代替人工手段开展带电作业任务可有效防止人身伤亡事故的发生并且能够提高带电作业效率。传统的带电作业机器人由于采用内嵌电机或液压的串联驱动方式,使得带电作业机器人具有自重大和绝缘成本高的缺点。由解剖学和生物运动学可知,人类臂膀的生物运动是由骨骼作为支撑、肌肉进行驱动实现的;灵活的肩关节和腕关节是并联驱动的方式。鉴于此,本课题面向带电作业的应用,通过仿生人类臂膀,尝试研究一种包含肩关节、肘关节和腕关节的自绝缘仿生机器人臂。通过绳索远程驱动模拟人的肌肉驱动,将驱动电机等导电单元从机器人臂中分离出来,机器人臂本体采用绝缘材料进行设计和构造,从而保证仿生机器人臂自身具有绝缘特性。自绝缘仿生机器人臂是一个包含腕关节机构、肘关节机构和肩关节机构的复杂多体系统,但其最关键的组成部分是各个仿生关节。由于人类手臂肘关节可以等效为1个自由度(1-DOF)的旋转运动,该关节自由度可通过一个2根绳索驱动的转动关节机构模拟,研究机理较为简单,故不予考虑。人类手臂的腕关节和肩关节可等效为3-DOF旋转运动,均可以通过一个由多根绳索驱动的带有柔性支撑体的3-DOF(Roll、Pitch and Yaw)并联机构模拟;针对具有柔性支撑脊柱的3-DOF绳索驱动并联机构,其横滚(Roll)和俯仰(Pitch)运动与偏航(Yaw)运动是可以通过机构设计解耦实现,而横滚(Roll)和俯仰(Pitch)运动的绳索驱动并联机构动力学及其运动控制较为根本。因此,本文主要的研究对象是绳索驱动的具有柔性支撑脊椎的2-DOF(Roll and Pitch)仿生柔性并联关节,重点研究模拟人类手臂腕关节/肩关节运动的机构,并深入探究该机构的设计、动力学、控制与绝缘特性等问题。首先,考虑到柔性支撑体具有侧向弯曲特征,提出一种运动学与静力学相结合的方法同时求解系统的运动学与静力学。通过仿真分析可知,所建的运动学和静力学模型是合理的和正确的。为了降低驱动器规模和减少能源消耗,基于系统的运动学和静力学并结合绳索位置的限制和绳索单向驱动输入两个约束优化了绳索的布局。优化结果表明,将绳索两端放置在越靠近驱动绳索与定平台和动平台连接半径上限的位置越好。此外,为了获得良好的运动性能,基于绳索拉力为正的约束分析了系统的工作空间。仿真结果表明,机构的平移工作空间是一个倒立的锥体并且它的体积随半径比(驱动绳索与定平台的连接半径对与动平台的连接半径的比值)值的增加而增大。通过分析仿真结果可知仿生柔性并联关节机构的绳索布局优化设计和工作空间分析方法是合理的。其次,基于拉格朗日方程,将刚体大范围运动和柔性体小变形耦合相结合,构建了考虑柔性振动因素、仅考虑径向柔性振动因素以及忽略柔性振动因素的三种系统动力学模型。为了能够用较小的能量实现柔性系统的最小误差,基于第一种系统动力学模型设计了线性二次型最优控制(Linear Quadratic Optimal Control,简称LQOC)器。为了在抑制系统柔性振动的同时能够使系统位置跟踪误差较小,基于第二种系统动力学模型设计了非线性控制(Nonlinear Control,简称NC)器。为了使闭环系统稳定的同时能够及时地消除系统的干扰以及减少系统的跟踪误差,基于第三种系统动力学模型设计了带有前馈控制的比例微分控制(PD with Feed-forward Control,简称PD-FC)器。由于绳索不能提供推力,因此将PD-FC方法与绳索内力原则相结合以保证绳索拉力始终为正。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果证实了设计的控制器能够跟踪理想轨迹的同时抑制系统的柔性振动。为了进一步验证仿真结果的合理性,设计并搭建了一个仿生柔性并联关节实验平台,主要包括系统机械平台和系统电气平台两个部分。在实验平台上开展了考虑柔性振动因素、仅考虑径向柔性振动因素以及忽略柔性振动因素的系统控制实验。研究结果表明每种系统控制策略的实验结果均与相应的仿真结果较为接近,从而证明了相应系统控制策略的合理性同时也证实了相应系统动力学建模的正确性。最后,针对仿生机器人臂的自绝缘特征,开展了仿生柔性并联关节绝缘特性理论仿真和实验研究。采用有限元方法计算额定电压作用下系统机械结构表面和周围空间的电位和电场分布,结果表明了最大电场强度远低于空气和绝缘材料的击穿场强,因此电场环境不具备电弧产生条件。为进一步验证仿真结果,本文采用3D打印技术搭建了一个与仿真模型具有相同材质、相同形状以及相同尺寸的实验模型并通过搭建的系统绝缘测试平台开展了绝缘耐压试验,采用逐级升压的方法测试被试样本击穿特性。由系统绝缘特性测试实验现象可知,在当前的电压等级下,绝缘并联关节未被击穿且不具备电弧产生的条件,即绝缘并联关节具有良好的绝缘特性且能够在较宽范围电压下保持自身的绝缘特性,并同时也证实了绝缘仿真结论的正确性。