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200米跨度多缆索立体载运机械系统设计（六自由度并联机构缆索立体载运技术）特种载运工具设计研究（个人原创设计作品）

已有 717 次阅读 2025-4-5 18:54 |个人分类:高等机械系统|系统分类:论文交流

场地多缆索立体载运机械系统设计--六自由度并联机器人工程应用（个人原创设计作品选载）支援装备模块化设计系列

Vol.5 (6) 多缆索六自由度特种机器人支援保障场地作业设计研究-支援保障装备模块化设计研究（节略）

（设计装备编组6DOF-PC8，ASV-CS，ASV-PTO，T-965- P，ASV-DB，ASV-DBF，T-965-H等）

王博文©

场地多缆索立体载运机械系统设计（六自由度并联机器人）适用于有科研价值的洞穴、水下、山涧、深潭、考古坑、陨石坑、坠落场地、行星表面、空间站间等无法使用地面载运及无人机等传统载运工具的条件下，来实现大跨度远距离缆索运输的特殊载运方式，该方式具有“空间姿态表面对空间姿态表面”全天候立体稳定运动特点，并适用于微重力环境下的多姿态悬浮物体对多姿态悬浮物体之间的“面对面”和“点对点”精确对接或六自由度伴随运动，即使目标是实时动态运动情况下，机器人在其有效工作空间内亦可针对运动目标以六自由度姿态跟随并伴随式操作，附图展示的场地立体缆索载运机械系统设计是前沿立体缆索载运技术。

该机器人有对“不规则运动”物体空间姿态的自动姿态伴随式弥合功能，具有在跨度内工作空间针对特定运动物体进行持续伴随式跟踪和提供长期持续保障支援的特定工程意义，本人在大跨度缆索六自由度并联机器人运动和动力研究方面拥有多项专利技术和数字化开发平台。部分处于世界同类技术前沿，尤其是外太空行星站间的微重力环境下的运动物体和和立体精确对接方面的关键载运技术。

此技术在低引力行星和空间站应用上亦可搭建对低引力环境悬浮物体进行捕捉和精确伴随运动及搭载附件机械臂进行动态多姿态操作。

装备用途及设计要点总结：

§ 使用于山体、洞穴、天坑、大型自动化仓库或特殊地形场地的大空间、适用于地面长距离（根据经济型缆索材料受力性能仿真结果理论上一般可满足10-300米载运行程）执行长周期高速立体姿态载运，提供目标伴随式物理操作；

§ 支持水下安装，实现循环水洞内六自由度姿态校验和物理操作，也可以实现特种水下环境六自由度姿态流体动力学测试；

§ 立体载运机械系统是大型6DOF并联机器人，具有六自由度位形运动姿态和10-20m/s高速运行和有载荷转移性能；

§ 全部结构组件均可以在场地内一次性安装，现场编码测试和定期维护，或拆卸由轻型两栖支援车队搭载和现场安装供电并实现短周期高价值工程作业；

§ 可以根据工程任务实际需要调整支链冗余度或机构构型来满足机器人运行响应姿态和工作空间位置区域；

§ 全部材料可根据任务需要实现轻量化；

§ 可在低引力小行星表面数百米左右跨度长周期立体载运（需要根据引力条件和航天器载运舱体积及安装要求，重新计算结构件和运动动力情况；

§ 可以配套设计附加自动装备机器人自动安装该立体载运机械系统（需要提前在模拟三维地形上测试好参数和编码）

§ 有专门设计的自动维护机构（需要根据场地条件专向设计）来满足无人状态下的长周期作业和有限配件自动更换；

大空间立体精确定位（具有空间位姿形态）与长周期持续动态立体监控信息采集，需要高自由度装备来完成。多缆索冗余驱动六自由度柔性并联机器人具有空间跨度大，结构轻便，动态响应迅捷等特点。可以根据运载负载和运行速度与姿态调整冗余缆索数量和支链构型。

机载传感器可以用于记录不同位置采集的信息，并且适合捕捉和跟踪动态物体运动轨迹的作用。是对大面积高价值场地进行大跨度距离精确搜寻和信息采集的高科技装备。具有不破坏场地地形地貌的作业特点。

如下图所示，是在自有数字化地形上开展的陨石坑水体上方开展的六自由度多缆索持续工程作业场景，尤其是可以全天候跟踪或伴随运动中的动态物体，在动态物体出现时，可以通过传感器识别并迅捷调整动平台机器人位形姿态，快速抵达和接近目标物体，并可以使用机载附件完成摄影摄像和对目标进行其他必要的物理干预。

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216米跨度多缆索立体载运机械系统在“星湖”三维可视化虚拟场地作业场景（局部）

轻型高机动保障支援车队与车载6DOF多缆索立体吊装机器人场地布置作业场景

图中的场地展示的并联机构构型是8-6对角受拉的形式，是做展示和基础理论研究使用的构型，这种构型的特点有灵活便捷稳定的特点，但也有很多具体工程应用上的局限。目前本人已经开发了9-6，10-6，12-6等多种冗余六自由度并联机构，并且在缆索构型配置上也有新的组合设计研究，根据它们的工作空间的差异性特点，可分别适用不同使用要求的特殊地形场地。所以，实际不同场地运行需要使用不同的缆索布置方案构型，避免机构运行状态奇异。针对不同的并联机构构型运行代码也是不同的，需要进行单独设计算法。

图中所有元素均使用等比例工程模型（支持定制化生产）和等比例视效。图中的机械系统使用轻型两栖车队模块化起重机吊装，使用车队的挂车载运。图中的组合立架每组550KG共计4组，卷扬机组每组重量约475KG共计4组，缆索系统重量每组50-60KG共计8组。动平台使用框架式轻型结构装配重量30-60KG，以及通信电缆和其他电子配件模组，整个系统使用工业单片机运行定制开发的代码和通过控制器进行电机控制，使用减速器模组和带有过载保护系统的卷扬机构完成缆索收放运行。短期支援任务场地供电使用轻型两栖动力输出车车载发电机组进行安全供电，远期维护可使用风能和太阳能进行变供电。（上图是为了突出立体载运系统主题，画面里删减了吊装起重机模块和场地清理与载运模块。）

图中的数字地形SINKHOLE（音译中文名“星湖”），是自有知识产权的一个具有1平方公里的虚拟三维地形，拥有一个直径约170米的不规则边缘陨石冲击坑，以图中可视化地形当前积水沿等高线为基准，水坑底部相对高差（-62）米，按照六自由度柔性缆索并联机器人布置原则，环水体布置并联机器人外框架系统，外框架便于拆卸运输，设计尺寸和重量以及安装条件可以与两栖车队单元模块完全兼容。

关于六自由度并联机构的原创设计理论部分早期研究作品可参阅：

八索六自由度并联机构工作空间优化方法 https://link.cnki.net/doi/10.27627/d.cnki.gzmhy.2023.000485

六自由度并联机构工作空间分析与优化方法研究及物体空间姿态控制

框架立杆和应力缆索构建使用本人持有的“三段体塔臂稳定技术”及地桩预埋结构设计，来保持拼接式轻型框架受力平衡和稳定，对机器人动平台提供持续稳定支撑作用。

关于立杆拉杆缆索支撑结构稳定设计的本人相关早期原创设计作品（原理类似）可参阅：

塔臂式全地面起重机超起模式拉杆与缆索三段体稳定性研究

四索三自由度并联机器人工作空间分析方法 https://doi.org/10.1007/978-981-19-9338-1_79

设计场景所使用的地形是自主知识产权的数字化虚拟地形，场地地形及水体设计编组SINKHOLE“星湖”，该地形是独立特征地貌地形，按照1平方公里网格制作，此次测试使用的网格区域地形特点是起伏地形，中心部分受到陨石冲击并形成了积水坑和自然降雨形成的水体，设计积水水深最深处60米，适用于布置水陆支援车队使用积水深坑场地场景化测试作业。

（该立体缆索载运系统亦可以布设在水下进行工作，请参考本人作品：水洞流体动力学及六自由度姿态联合仿真的无人潜航器设计相关系列原创作品）

该框架系统采用预应力缆索，缆索动态张力平衡系统通过力学传感器感知，可以实时分析预埋件与框架系统和动平台之间的受力变动。缆索系统采用8台独立的有过载保护设计的卷扬机构和减速器系统，由中央控制器通过运动学代码进行统一控制。该系统硬件可以多次重复使用于不同场地，但控制代码不具有通用性，由于每一米的距离差距都会形成六自由度位形姿态上的工作空间差异和支链奇异干涉。每个任务都需要配置单独的支链构型和冗余设计，以及机构构型，重新计算工作空间，需要每个场地地形（工作空间）、机电系统以及缆索物理性能特点，要独立调整运动代码来完成精确六自由度控制和机电控制下的支链耦合。六自由度缆索并联机构因其构型和工作空间差异实际形成每个场地系统都有其特性，不具有一般迁移性。

核心并联动平台具有六自由度运动性能，搭载视觉识别系统及雷达，温度传感器和速度传感器等装备。动平台设计最高稳定运行速度11m/s，整个框架使用缆索张力平衡受拉结构。

缆索系统风阻小，立体布局，单方向受风面遭遇持续强气流时，另外的方向上始终至少6根缆索承担载荷受力分散，所以受风场影响小，经风载流场测试整个系统在待机情况下至少满足30m/s风速情况下的待机安全，如动平台安装的配件有风载时，系统待机情况下，强气流也只能将动平台送到工作空间的某个接近极限的位置，但动平台在综合缆索多维力和卷扬机构卷轴过载保护作用下，会有效分散风力载荷影响。

系统本身具有风力传感器和外力传感器，可以自动预紧应力达到张力平衡。机构运行使用本人开发的多维力测算系统和六自由度缆索运动学动力学算法（专有技术）。

动平台可以通过声光和物理机械配件自动驱赶鸟类和动物。但是高速运行的缆索和以每秒运行超过10m/s的动平台本身就具有危险性，可能会切割撞毁误入其工作空间内的动物和其他物体。

工程场景中，外框架搭载减速机及卷扬系统对角线跨度216米。动平台并联机器人可以携带各类辅助属具设备，以0.5-13m/s的可变速度，呈六自由度运行姿态，在近4万平方米的场地上空，全天候24小时进行自动响应和伴随式监控巡航。根据需要该系统可以最大实现约300米对角跨度（材料成本经济情况下）。

（如果该系统运行在低引力行星表面需要根据该行星引力影响修改参数表定义，可以实现超过数公里跨度的多自由度精确工程作业范围和伴随式跟踪和动态操作，适用于行星表面和大型空间站内部的高频率缆索投运的载运系统。

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轻型高机动保障支援车队场地行进和驻泊时的局部车队场景设计

图中挂车自动车台滑车上的机构是车载6DOF多缆索立体吊装机器人

图中的挂车是高通过型挂车，是两栖支援保障车队中的一个辅助车型。封闭型挂车内部设计有电动滑车台板和轻型吊装系统，可以与其他挂车进行组合衔接作业。挂车悬架系统配置板簧减震器，挂车带有支腿系统，且有机械限位功能，作业稳定性高。这个图的设计制作距发布时间也过去了半年，原有设计很多细节目前也已更新，但此图不影响设计理念说明，此装备属于轻型两栖支援保障装备的一部分，用于场地长周期持续保障作业；图中的全部模块的设计方案都是伴随深化设计和仿真验证过程深入而持续优化。全部车队模块在经过多种可视化三维地形使用测试过程中，总会发现诸多新的功能和创新点，这个过程中，世界先进防务装备设计也是动态发展的，这个轻型两栖支援车队未来呈现的样式和模块功能组成也应该会随着时间的推移而逐步升级。

关于ASV两栖支援模块紧密相关的原创设计，已经发布的过往设计简报可浏览链接如下：

两栖支援装备设计-地面车辆设计（节略）

车载G-HFW固定翼无人机设计（地空协同）

车载J-TFW折叠翼无人机设计/无人机发射车设计（地空协同）

车载无人水面艇设计（多线程壳体技术）

SINKHOLE“星湖”虚拟试验场设计说明：

①星湖试验场地是特征化独立地形，设计地形有效面积1平方千米，拥有一个深度达65米的冲击深坑，积水深度0-60米可设置，用于模拟陨石坑积水场地条件下的六自由持续跟踪和监控作业。场地实体转化支持3D打印。

②场地用于模拟大跨度六自由度缆索冗余驱动机器人的动力学和运动姿态研究，尤其是伴随式跟踪运动姿态的研究工作。

③场地可以驻泊整队轻型两栖支援保障车辆全系列共计29个模块的展开作业空间和保障支援作业线，并用于研究大规模轻型保障作业车队的展开作业面和工程流程优化方面的模块功能衔接和配置。

④也用于开展水下六自由度动平台运动和水下潜航器水洞姿态分析。

附：轻型两栖支援保障装备相关设计信息技术体系简介（UPD.250327）

本系列轻型两栖支援保障装备设计过程中应用的技术伴随研发过程会形成新的优化，内容会有持续删改和增补，应以最新日期简介内容为准。