绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题,研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想,将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分,分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节,在运动副上配置编码器用于检测关节位置,有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型,分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律,简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式,分析了不同关节角下的刚度特性。最后,针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明,设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。