柔索牵引并联机器人的简介及发展概况

第一章 绪论 1.1 论文的研究背景及意义 随着科学技术的发展以及人们对视频画面质量的要求不断提高，在进行电视转播时，经常需要摄影设备对空中全景进行拍摄，借助于摇臂摄像机、曲臂升降车和直升机航拍设备来完成上述任务是比较成熟的手段，但由于工作区域及拍摄角度等各种条件的限制，这些拍摄设备都不能很好的完成空中拍摄任务。近年来，柔索牵引摄像机机器人的出现为上述问题提供了一个非常完美的解决方法。柔索牵引摄像机器人在广场，大型演播室等三维空间内可达到无盲点旋动、悬停飞行等效果，从而为观众提供一场非同一般的视觉盛宴。 早在1983年就有学者提出柔索牵引摄像机器人的设计思想，不过受限于多根柔索间的协调运动控制与平台振动等方面的技术难题，柔索牵引摄像机器人的拍摄效果一直无法达到理想的要求，经过研究人员和相关领域学者的不断摸索与努力，直到最近几年这种摄像机器人才得到了广泛的应用[1-2]。即使到现在，也很少见到关于摄像机器人机动性指标的最大速度、最大加速度、上升时间、运动变向响应时间等，以及关于稳定性指标的最大振幅、振动频率、调整时间等的深入研究报道，而仅仅是停留在最大运行速度为9m/s的运动性能的定量认识上[3-4]，而这种运行速度相对于在两条平行空中索道上滑行的二维索道摄像机人的最大速度36m/s而言还是非常小的，基于此，如果能够更好的协调摄像机器人牵引索间的运动控制，提高驱动电机的转动精度以及减小其响应时间，柔索牵引摄像机器人的最大速度也还有提高的潜力。 目前该种柔牵引机构搭载摄像机系统有着广泛的应用前景，由于其自身的运动特性所带来的特殊视角能给观众带来前所未有的视觉体验，所以包括北京奥运会、南非世界杯、广州亚运会以及央视春晚等大型赛事的实况转播和综艺广播电视节目的录制都采用了该种产品类型的设备。但是国内还未掌握其核心技术，一些大型运动会及综艺转播节目的主办方若需要用到此技术。除了租用了国外的设备包括专业人员外并无他法，但是其价格高昂，不但增加了运营成本，而且在沟通协调方面也有诸多不便。所以我国自己的柔索牵引摄像机器人的早日出现将为央视、地方电视台以及影视设备公司等带来前所未有的惊喜。 1.2 柔索牵引并联机器人的简介及发展概况 1.2.1 柔索牵引并联机器人的简介 由于传统串联机器人具有机械效率低，末端操作精度低等劣势，在20世纪中后期，并联机构的概念慢慢地被相关学者提出[5]，由于并联机器人在刚度、精度、负载及结构等方面具有众多的优势，使得其在大物件装配、模拟运动、空间的对接和加工制造等领域得到了非常广泛的应用，但这仅仅是实现了并联连杆机器人的设计。虽然并联连杆机器相对于串联机器人在工作能力上已有很大的进步，但是工作空间小是并联连杆机器人最突出的缺点。 为了解决上述缺点，柔索替代刚性连杆的概念被研究人员提出，这一概念便很快的被应用于柔索牵引并联机器人设计与制造中。作为并联机器人的一个重要分支，柔索牵引并联机器人的显著特点是用柔索代替连杆作为它的驱动元件，这也可以认为柔索并联机器人是由柔索驱动与并联机器人组合而成。柔索牵引并联机器人是一种新型的机器人，在柔索牵引摄像机器人、风洞支撑系统，大射电望远镜等方面应用前景广泛。柔索牵引机器人的设计中采用了铰链转角并结合柔索的伸缩范围，使得机器人具有较大的工作空间；由于柔索的质量轻，运动惯量小，所以柔索并联机器人在负载能力方面也有很大的提高；柔索牵引并联机器人大大地缩减了运动部件的惯量，这使得柔索牵引并联机器人的速度和加速度可以大幅度的提高，这种优势将会在高速运动的场合显现得非常突出[6-7]。

1.2.2 柔索牵引并联机器人的发展概况 早在20世纪80年代初，美国麻省理工学院的学者Landsberger[8]在海洋作业等方面进行了大量的研究并取得了一定的研究成果，在总结经验的过程中提出了柔索牵引并联机器人的设计思想；到了20世纪80年代末Dagalakis等[9]人经过多年的努力，最终研制出了名为ROBOCRANE的索牵引并联机构，但这种并联机构的设计中仍然带有串联子系统，随后基于研究成果及设计经验，他们提出了一种用于起重机的索牵引并联机器人的设计方法。20世纪80年代出在芝加哥举行的机床展览会上，来自美国的Giddings & Lewis公司和Ingersoll公司分别研制出了并联机器人的六足型机床 [10-11]，这一研制成果在很大程度上推动了并联机器人的发展并由此引发了并联机器人在制造业领域的广泛研究。 在国内，许多科研院所及相关研究机构也开始了柔索牵引并联机器人的研究，并取得了大量的研究成果。作为中国科学院国家天文台FAST工程总工程师兼首席科学家的南仁东研究员，经过多年的理论研究和实践经验总结，提出将贵州喀斯特洼地作为望远镜台址，建设巨型球面望远镜作为国际SKA的单元，即 500米大口径球面射电望远镜（FAST）项目[12]。国家天文台的李辉、朱文白研究员对天线馈源柔索支撑机构进行了进一步的研究[13]。清华大学的任革学教授等人经过长期的理论研究和科研实践，研制出了一种通过柔索牵引并实现空间自由移动的馈源小车，馈源姿态的调整主要是通过安装在小车上的两轴转动系统完成的[14]。西安电子科技大学段宝岩院士和仇原鹰教授等[15-16]对并联机构进行了大量的理论研究并提出了一种馈源指向跟踪运动的设计方案，这种设计方案中采用了6根大跨度并联柔索牵引馈源舱运动，并建立了该设计方案的50m射电望远镜模型（图 1.1）。华侨大学的郑亚青博士在并联机构方面也做了大量的研究工作，并且取得了丰硕的研究成果，为后续学者的研究提供了充实的参考素材 [17-18]，同时厦门大学的林麒教授、刘雄伟教授以及郑亚青博士也通过长期合作，

在柔索牵引并联机器人的研究方面取得了大量成果，并研制出了一种用于进行飞行器风洞实验的模型，该模型由8根索牵引来完成6自由度的运动[19]（图 1.2）。中国科学院自动化所的李成栋通过大量的摸索实践，研制出了一种通过4根柔索驱动的自调平起重设备[20]，这种期中设备是通过调节柔索的长度使负载在起吊过程中保持水平。哈尔滨工程大学的张立勋教授提出了一种柔索牵引并联机器人的设计思想，这种机器人主要用于病人的骨盆康复训练的中[21]。

图1.1 50m射电望远镜模型 图1.2 柔索牵引风洞飞行器模型 在国外，有影响的柔索牵引摄像机器人有德国的Spidercam（图1.3）与美国的Skycam[22]（图1.4）。Spidercam公司研发出一款具有革命性的摄像机搭载系统。该套索牵引并联机器人系统安装在四个绞盘上，系统末端的摄像机在四根柔索的牵引下可以实现空间的三维运动，以便移动到任何理想的位置。美国August Design公司研制出了一种名为SkyCam的索牵引摄像控制系统，它的最快飞行速度能够达13米/秒，而且定位迅速，几乎能够提供任何位置和角度的报道，目前这种设备主要应用于露天大型运动场等开放空间的场合中。 图1.3 Spidercam 图1.4 SkyCam 1.3 本文的研究目的及主要工作 1.3.2 本文的主要工作 基于本文研究目的，文中的具体章节及主要内容安排如下： 第一章 绪论。概述了本文的研究背景及意义，阐述了柔索牵引并联机器人研究领域的相关理论知识及发展概况，说明了论文的课题来源及其研究目的。 第二章 柔索牵引摄像机器人的总体控制方案设计。建立了柔索牵引摄像机器人的运动学模型；选择了摄像机器人的控制模式；通过对摄像机器人运动过程的具体分析及相关运动方程的推导，得到了摄像机器人运动速度的求解及规划方法；在此基础上，提出摄像机器人控制系统的总体设计方案。 第三章 柔索牵引摄像机器人控制台及执行机构设计。分析控制台的功能需求，基于控制台所要实现的功能选择合适的电器元件并设计了电路的主要模块；根据执行机构的组成和功能，概述了执行机构的控制系统，说明了执行机构的主要器件选择及其性能，对比了伺服电机的控制模式并选择出适合该系统的控制模式。 第四章 柔索牵引摄像机器人的上位机软件设计。介绍了上位机软件的开发语言和开发环境，明确了上位机软件功能，开发了上位机软件，提炼出开发过程中的关键技术；结合上位机软件，设计出适合上位机与控制台、上位机与执行机构间的通信连接模式。 第五章 柔索牵引摄像机器人控制系统的实验验证。完成了控制系统的硬件连接和软件配置；进行了控制系统实验，结合仿真软件，对得到的控制结果予以分析，验证了所设计的控制系统的合理性，总结了控制过程中出现的问题及其解决方法。 第六章 总结与展望。总结了本文的研究工作成果及论文中相关问题的解决方法，并对以后的进一步研究工作提出了展望。

第三章 柔索牵引摄像机器人的控制台及执行机构设计 3.2 控制台的设计 3.2.2 控制电路主要器件选择 （１）微处理器的选择 微处理器是控制台的核心，相当于人类的大脑，所以微处理器选择的合适与否直接决定本文所设计的控制系统能否正确完成控制任务。本文所述控制台的微处理器必须具有指令处理时间短、工作稳定、支持串行通信模式等特点，结合现在控制领域广泛应用的微处理器类型以及本文所设计的控制系统的要求，选用ARM系列的LPC 2132作为本文所述控制台的微处理器[31]。 LPC2132是32位ARM7TDMI-STM CPU微控制器，带有16kB片内静态RAM。多达47个GPIO口，1个8路10位A/D转换器，每个通道的转换时间低至2.44µs,非常适合需要多路A/D转换的场合，1个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出。2个32位定时器/计数器，PWM单元和看门狗。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM和具有缓冲作用及数据长度可变功能的SSP,片外晶振频率范围：1~30MHz。内部集成实时时钟等，资源比较丰富，使它们特别适用于工业控制和医疗等嵌入式系统[32]。LPC2132芯片的内部结构如图3.2所示。