可重构可伸缩电缆驱动机械手的结构设计与实验

《IEEE Robotics and Automation Letters》：Structural Design and Experimentation of a Reconfigurable Extendable Cable-Driven Manipulator

可重构电缆驱动机械臂（RECDM）通过模块化设计与自适应算法优化，实现臂长和自由度灵活调节，具备高精度轨迹跟踪（误差<10%）和轻负载稳定运输能力，结构强度与控制精度显著提升。

　　

摘要：

电缆驱动机械手（CDM）具有灵活的臂部和空间适应性，常用于检测和探索等工程领域。通过改进臂体和驱动控制箱的结构，可以实现适应性和降低应用成本。在本文中，我们提出了一种新型的电缆驱动机械手，该机械手由可重构的内部骨架和可伸缩的外壳组成。这种可重构、可伸缩的电缆驱动机械手（RECDM）能够在紧凑的驱动控制箱下调节臂长和自由度。为此，我们提出了一种可重构冗余运动学（RRK）算法，以在遇到障碍物时优化臂长。实验首先证明了这种可重构结构的可行性。随后，该机械手通过远端关节成功绘制出了圆形轨迹，展示了高精度的单关节运动和结构稳定性，圆度误差小于10%。静态载荷测试表明，在最大载荷500克的情况下，机械手的Z轴位移保持在4.8毫米以内。此外，多环运输任务验证了其在轻载条件下能够准确运输和抓取物体，进一步证明了整个机械手的稳定性和精确运动性能。

引言

电缆驱动机械手（CDM）非常适合在受限或危险环境中的复杂任务，例如核设施检测[1]、深海探索[2]和飞机维护[3]。它们纤细的结构、高冗余性和远程控制的驱动系统提供了出色的空间适应性，使得在恶劣环境中能够安全操作。CDM通常由多个肌腱连接的刚性连杆组成[4]、[5]、[6]，具有较高的结构强度和精确的控制能力，非常适合在受限环境中执行任务[7]。