演绎 inSite 第七期节目
关于绳索机器人的设计
姚蕊
中国科学院国家天文台
FAST 工程副研究员
姚蕊老师@演绎inSite演讲视频：
以下为姚蕊老师演讲文字稿：
（根据演讲现场整理，基于原意有所删减，完整版请看视频）
大家好，我是中国科学院国家天文台的姚蕊，我的研究领域是并联机器人以及天文技术与方法，今天要和大家分享的题目是绳索并联机器人。
机器人最早是从哪里来的？
2016 年 9 月 25 日，被誉为“中国天眼”的500 米口径球面射电望远镜 FAST在中国贵州落成，它受到了国内外天文学家的广泛关注，其高灵敏度和综合能力一直被大家所推崇，在两年多的调试期间，它一共发现了 80 颗优质脉冲星候选体（等待进一步验证的新脉冲星，一旦被其他射电望远镜或者FAST自身进一步验证为脉冲星后，就可以成为是“新证实的脉冲星”。），其中 55 颗已被证实。
FAST - 500 米口径球面射电望远镜
同时备受大家关注的还有它的自主创新技术，其中一个就是馈源支撑系统（馈源接收机的定位系统）。
它通过 6 根长达 600 米的绳索来组成绳索并联机器人，牵引着直径 13 米、重达 30 吨的馈源舱，在 140 米的高空、206 米的范围内运动，它的控制精度可以达到毫米级，这是大型绳索并联机器人的首次大型高空运动。
在受到多人关注的同时，很多人也开始好奇：究竟什么是绳索并联机器人？它都被应用在什么地方？它拥有什么样的特点？那么今天我就带领大家去揭开这个神秘面纱的一角。
讲到绳索并联机器人，我想分为三个词来给大家解释：机器人、并联机器人、绳索并联机器人。
机器人这个词最早来源于一本科幻小说，是人类幻想能够脱离劳动的一种想法。现在随着工业技术的发展，机器人的种类很多，分类也是五花八门，在图中我们看到的分类只是其中寥寥无几的几种。
机器人的既定概念是可编程与多功能操作机，或者是为了执行不同任务而具有的可用电脑改变和可编程动作的专用系统。而并联机器人则是一种分类方法，其经常会和串联机器人放在一起讨论，它主要是根据机器人执行机构形式来划分为串联和并联。
如上，左图是串联机构，从它的机平台到执行器之间是一个串联的回路，我们一般把这种形式叫做串联机器人。右图是并联机构，从它的机平台到执行器之间会超过两个或两个以上的回路，我们就将其称之为并联机器人。
下面为大家展示“串联机器人”和“并联机器人”的两个典型动画。
串联机器人示意动画
串联机器人很灵活且工作空间及范围极大，如同用一只手随意完成操作，我们现在看到的很多工业机器手臂基本上都是串联机器人。
并联机器人示意动画
上面这张图是一个典型的 6 自由度并联机器人，通过 6 根杆的伸缩来实现 6 个自由度，所谓的 6 个自由度就是一般我们讲的：物体在三维空间之内运动，它能够实现的最多自由度就是6 个，三个方向 XYZ 的平动，以及沿 X 轴 Y 轴和 Z 轴的三个转动，所以这个并联机器人已经实现了物体在三维空间中的最大自由度。
这个机构是在 1965 年被一个叫做 Stewart 的德国人发明的，所以此平台也经常会被称为 Stewart 平台，它最早是用来给飞行员做飞行模拟器及训练的，现在这个平台我们也经常能在生活中看到，比如众多娱乐场所、飞行模拟器、以及游戏机构中都能看到它们的身影。
生活中我们常见的“绳索并联机器人”都有哪些？
当我们理解了并联机器人后，我们就能更好地去理解绳索并联机器人
它就是用绳索去代替刚性并联机构里的一些操作杆件，然后用它来实现并联机器人同样的功能，其优势在于绳索材质简单且便宜。另外，在同样重量的情况下，绳索的承载能力会更强，其工作范围会更大，因为不会受到加工能力、装配误差等多方面的因素影响。
左图是 1987 年在美国诞生的第一台 Skycam ，现在我们可以在很多运动场看到它的身影。它是通过 4 根或是 8 根绳索来牵引一个摄像机平台，从而高速稳定地拍摄画面，最高时速可达到 50 公里以上。
右图是根据美国标准化与工业系统设计的一个并联机器人，它就是用 6 根绳索来代替了 Stewart 平台 6 个杆件从而实现它的运动，在随后的十几二十年期间，它已经被应用在了众多工业场所，其中包括水上救援、地下管道铺设等等。
随着绳索并联机器人的应用，其理论在不断完善的同时，它的应用也开始不断扩展。一方面应用在了飞机的去漆、喷漆，以及大型的仓储管理、甚至是月球的起落架实验等等。
另外一个有趣的应用设想是在 2002 年，加拿大人准备使用 8 根绳索去牵引一个热气球，在热气球上放置馈源接收机（接受天体无线电波信号的仪器）来实现一个 200 米口径射电望远镜的馈源支撑功能，很可惜这个项目最终并没有进行下去，让我们缺少了一个绳索并联机器人的典型利用。
绳索并联机器人的另外一个优势就是灵活与高速，并且现在仍在不断突破极限，其应用也开始慢慢从工业走向了更多场所，比如一些医疗辅助机构等。
绳索并联机器人从上世纪 80 年代末开始，其部分应用及理论体系已经开始稳步发展。到 2000 年左右，大家已经将绳索并联机器人列为一个单独学科。
在设计它的时候会考虑到很多因素，其中一个很有意思的点就是绳索并联机器人和并联机器人，也就是我们传统说的刚性并联机器人，最大的区别在于绳索只能承受拉力而不能承受压力，所以在设计过程中一定要注意，它的拉力必须是正值，其受力方向一定是拉力方向，否则在这个机构不可控的同时还无法实现最初要求的自由度。
但是到底有多少根绳索？能够实现多少自由度？它们之间又有什么关系？
这个问题一直到了 1998 年才有系统性的答案：如果你想制造一个 N自由度的绳索并联机器人，那么你需要的绳索至少是 N+1 根，也就是说，如果要实现 3 个方向的平动，要做一个完全约束的绳索并联机器人则至少需要 4 根绳索。
FAST 馈源支撑系统是如何走到现在的？
再回到 FAST 的馈源支撑系统，它要实现的自由度是什么呢？
为了满足它的天文观测需求，它需要实现 3 个方向的平动，以及绕 X 和 Y 轴两个方向的俯仰角度，所以它需要 5 个自由度，这意味着它所需要的绳索至少为6 根。但这就是我们选择 6 根绳索的原因吗？
我们回过头来看，FAST 馈源支撑系统是怎么一步一步地走到现在的？
FAST 整个概念提出是在 1993 年到 1994 年的时候，那时候我们希望建造一个类似美国 Arecibo 的望远镜，很多的时候大家看到 FAST 都会想到它，但实际上我们的馈源支撑系统和它有很大的区别。
美国 Arecibo 望远镜
这张图是美国的Arecibo，通过 3 个高塔来牵引 3 根绳索，但是这 3 根绳索是不可移动的，它的馈源支撑系统就是利用 3 根钢索去牵引中间巨大的三角形钢结构，而馈源舱就是在此钢结构上运动，整个馈源支撑的那部分重量可以近千吨。
如果将 Arecibo 的尺寸换算到 FAST 上面，那我们整个馈源支撑系统的重量可能会达到上万吨，这是从设计到实现都不可能完成的事情，所以那时就提出了让绳索动起来的概念，用绳索去牵引馈源接收机，在要求的范围内去运动、去接收这些天文信号。但那时我们对于绳索并联机器人还没有太深的理解，到底用几根绳索、如何运动等问题还仅仅是个概念。但确实在那时，FAST 第一次提出要用绳索并联机器人来实现它的馈源支撑，随后便是大量理论和实验的研究。
2000 年左右，西安电子科技大学提出过“六索”的方案，当然和我们现在看到的六索方案的布局有所不同。 2004 年，清华大学也提出过多种绳索牵小车，然后再通过 AB 轴加上 Stewart 平台等方案。但是在这些方案的研究及实验过程中，我们发现一个问题：好的力学特性以及能够实现的工作空间之间很难同时匹配，那么这时就需要取舍。一直到 2005 至 2006 年间，我们通过仿真最终确定采用了现在的“六索”方案：6 座高塔均匀地分布在一个直径 600 米的圆圈上，每根绳索往中心牵引馈源舱，两两绳索铰在一点。
首先，对于一个射电望远镜来说，绳索越少、则对于它天文观测的影响就会越少。其次， 6 根绳索能够满足 5 自由度的要求，所以说它既满足了工作空间的要求，又满足了天文观测的需求。
但目前唯一的遗憾就是它无法达到我们对于角度的要求，所以解决方案就是在馈源舱内再加上一个 AB 轴，然后在下面再加一个 Stewart 平台做精调，这是一种方案的取舍。经过这件事后，我们做了大量研究，从力学特性到均匀分布，比如上面绳索如何分布、如何两两搅在一点等问题，通过一些研究之后，最终确定了如今的绳索方案。
针对这个“六索”方案， 2009 年，国家天文台和清华大学一起在北京密云建立了一个 1:15 的馈源支撑系统模型，当时我本人除了做绳索并联机器人的理论研究以外，还负责设计了绳索并联机器人的机械结构部分，当时之所以让我涉及这个版块，其实还有一个小故事在里面。
2005 年至 2006 年期间，我自己做绳索并联机器的理论研究时需要搭建一个小模型，于是老师就给了经费让我自己搭建。一般来说，传统的绳索并联机器人结构非常简单，可以用一个电机来带卷扬机（用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车），再加一个滑轮就可以完成它的整个传动。但状况也就随之而来，因为绳索并联机器的研究需要较高精度，如果仅仅使用滑轮和卷扬机的形式，那就面临了一个问题：我自己需要搭建一个复杂的数学模型，在此基础上，卷扬机的旋转轮在哪里出索？对应的电机转多少圈？它到底出索出多少长度？这些问题都必须得到精准的答案。
当卷扬机尺寸较小的时候，也许需要绕 2 3 圈，那么数学模型会变得更加复杂。我希望把这个设计变得简单一些，于是做了一个取巧的设计：用两个直线轮去代替常用螺旋轮，这样的设计方式既能够保证出索位置永远唯一，同时还增加了一个可转动的滑轮。滑轮会根据索力的不同情况随时改变自己的方向来进行跟随，动平台到哪个位置，滑轮方向就会对着哪个位置，这样就永远保证了出索位置的唯一性。
随后这个设计被用在了 40 米的模型之上，一方面是运用双滑轮形式来减少运动误差，另一方面是使用转动轮形式让它永远跟随着馈源舱的位置，保证出索精度，同时减少绳索与绳轮之间的摩擦，这个设计最终也在 FAST 上得以应用。
上图这张照片是 2016 年夏天 FAST 附近的星空，今天我的介绍就像是带领大家看到了绳索并联机器人这片璀璨的星空，但是我没有办法告诉大家每一颗星分别代表什么，它有什么特点，因为里面还有太多未知等待着我们去探索，太多机器人的设计等待着我们去创造、去创新。今天我的内容就是这些，谢谢！
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