【摘 要】
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石窟寺探测保护工作事关民族传统文化传承发展,然而其形制多样,赋存地质环境复杂。为了科学阐明石窟寺岩体变形破坏过程和失稳机理,需要对洞窟壁面病害特征进行精细化探测。依托国家重点研发计划“石窟寺岩体稳定性预测与加固技术项目”（项目编号:2019YFC1520600）,开发了专用智能探测机器人,将探测机器人设计为底部行走系统与顶部机械臂操作系统。顶部机械臂用于搭载各种探测及信息采集设备。因此,顶部机械臂
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石窟寺探测保护工作事关民族传统文化传承发展,然而其形制多样,赋存地质环境复杂。为了科学阐明石窟寺岩体变形破坏过程和失稳机理,需要对洞窟壁面病害特征进行精细化探测。依托国家重点研发计划“石窟寺岩体稳定性预测与加固技术项目”（项目编号:2019YFC1520600）,开发了专用智能探测机器人,将探测机器人设计为底部行走系统与顶部机械臂操作系统。顶部机械臂用于搭载各种探测及信息采集设备。因此,顶部机械臂设计是该智能探测机器人研发的核心之一。根据石窟寺精细化探测需要,本论文提出一种冗余多自由度混联机械臂的新思路:基于6-DOF串联机构和3-UPS＆S并联机构提出构造一种新型9-DOF混联机械臂。全文对该混联机械臂构型及关键结构参数进行优化设计,并建立了机械臂运动学及动力学模型。（1）对该混联机械臂构型及关键结构参数进行设计。采用构型关联矩阵表达出该多自由度混联机械臂构型信息。基于构型评价指标,建立构型优化模型,通过遗传算法,得到最优构型。根据关节驱动力矩及机械臂单位尺寸工作空间,建立关键结构参数优化模型,通过MALTAB计算得到最优参数。（2）建立机械臂运动学模型。采用D-H参数法与欧拉变换法建立正运动学模型。通过对机械臂进行逆运动学分析,提出运动解耦方法,根据串、并联机构的位姿分离原理,采用分步求解方法建立逆运动学模型。对机械臂前端6-DOF串联机构,采用牛顿拉夫逊数值迭代方法与解析法两种方式分别进行求解。采用闭环矢量法建立末端腕关节逆运动学模型。（3）采用牛顿-欧拉法建立机械臂动力学模型。根据平行轴定理对模型进行线性化处理。考虑机械臂运动时受摩擦力影响,采用线性近似摩擦力模型,得到完整的待辨识动力学参数表达式,通过最小二乘方法及其递推形式对动力学参数进行辨识。（4）对机械臂进行仿真分析。采用蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行了求解;根据目标运动轨迹及姿态变换过程验证了运动学模型的正确性;通过将ADAMS动力学仿真结果与模型求解结果进行对比,验证了动力学模型的正确性。研究结果表明,所建立的模型正确有效;该新型混联构型机械臂工作空间大,灵巧性好,适用于复杂地形地貌的探测工作。
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