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1、2021-6-15 1并聯(lián)機器人 仿生機器人學課程專題報告 2021-6-15 2 內(nèi)容安排：1、并聯(lián)機構與并聯(lián)機器人簡介2、delta并聯(lián)機構分析4、 關于delta并聯(lián)機器人的思考3、delta并聯(lián)機器人綜合應用3.1、分揀作業(yè)：delta機器人+視覺3.2、delta機器人其他應用形式 2021-6-15 3 1 并聯(lián)機構與并聯(lián)機器人 機器人技術的發(fā)展和應用極大地改變了人們的生產(chǎn)生活方式，不僅能幫助人們完成單調重復的工作，而且能在危險惡劣的環(huán)境下完成復雜的操作。然而，隨著工作要求的不斷提高，傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人往往存在運動慣量大、剛度低、誤差累積等缺點。并聯(lián)機器人的出現(xiàn)則剛好彌補了這些不足。

2、 2021-6-15 4 并聯(lián)機器人組成：固定基座*1、末端執(zhí)行器*1、獨立運動鏈*n（n=2）。 機器人=機構+驅控系統(tǒng)+其他附件 僅分析結構特性時： 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構的零部件數(shù)量少 （主要有滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等），因而其制造和庫存?zhèn)浼杀鞠鄬σ?，容易組裝和模塊化。 1.1 并聯(lián)機構組成并聯(lián)機構 并聯(lián)機器人 2021-6-15 5 優(yōu)點： （1）剛度質量比大。因采用并聯(lián)閉環(huán)桿系,桿系理論上只承受拉、壓載荷,是典型的二力桿,并且多桿受力，使得傳動機構具有很高的承載強度。 （2）動態(tài)性能優(yōu)越。運動部件質量輕，慣性低,可有效改善伺服控制器的動態(tài)性能

3、,使動平臺獲得很高的速度與加速度,適于高速作業(yè)。 （3）運動精度高。并聯(lián)機構不僅沒有串聯(lián)機構中存在的誤差累積，而且各條運動鏈的誤差在末端可以有一個相互抵消的平均化效果。 （4）結構緊湊靈活性強。通過運動耦合，可以實現(xiàn)末端復雜的運動軌跡，尤其當應用于機床行業(yè)時，容易實現(xiàn)多軸聯(lián)動，加工復雜曲面。 （5）使用壽命長。由于受力結構合理，運動部件磨損小。 缺點： （1）工作空間較小； （2）開發(fā)難度大（結構復雜，運動耦合復雜，奇異位形多)。 1.2 并聯(lián)機構特點 2021-6-15 6 空間并聯(lián)機構的復雜性示例 1dof 0dof平面五桿機構（雙鏈并聯(lián)機構) 平面機構自由度計算公式： F=3n-2pl-

4、ph式中 n為活動桿件數(shù)（不算機架） pl為平面低副數(shù)（即只有一個自由度的運動副） ph為平面高副數(shù) 2021-6-15 7 1931年，格威內(nèi)特（Gwinnett）基于球面并聯(lián)機構的娛樂裝置。 1938年，Pollard發(fā)明并聯(lián)機構用于汽車噴涂。 1948年，Gough發(fā)明并聯(lián)機構用于輪胎檢測。 1965年 Stewart在他的一篇文章提出了一種6自由度的并聯(lián)機構，即著名的Stewart機構。（后來被應用到機床、海上礦井平臺、飛行模擬等多領域） 1931年Gwinnett的娛樂裝置 （5D電影） 1965年Stewart機構 1.3 并聯(lián)機構發(fā)展簡史 2021-6-15 8 1979年，Mc

5、callino等人首次設計出了在小型計算機控制下，在精密裝配中完成校準任務的并聯(lián)機器人，從而真正拉開了并聯(lián)機器人研究的序幕。 1985年，法國克拉維爾（Clavel）教授設計出delta并聯(lián)機構，經(jīng)過不斷修改完善，成功應用于醫(yī)療、工業(yè)，實現(xiàn)商業(yè)化。于1990年前后在各國申請專利。 在此之后，并聯(lián)機器人逐漸成為研究熱點，越來越多的并聯(lián)機構被提出，但真正能應用于生產(chǎn)實際的并不多。 delta被稱為“最成功的并聯(lián)機器人設計”，由于專利保護，限制了其推廣。專利到期后各企業(yè)爭相生產(chǎn)，成為熱門機型。 delta并聯(lián)機構 2021-6-15 9 構件：靜平臺，動平臺，均布的3根主動臂，3組從動臂（每組包括2

6、根平行桿）。聯(lián)接件：3個轉動副，12個虎克餃（十字萬向節(jié)）2、delta并聯(lián)機構分析十字萬向節(jié)2.1 結構組成 2021-6-15 10 而實際生產(chǎn)中出于美觀或其他工作條件的需求，常用球鉸代替虎克鉸。兩端各增加一個拉緊彈簧，有助于保持同組從動桿平行，但也有些樣機沒有增加彈簧組件。 2021-6-15 11 合理的簡化有助于對機構的分析，多篇文獻中對delta機器人進行了如上圖所示的簡化。比如進行自由度分析時，采用機構簡圖a），進行運動分析時采用更加精簡的圖b)。 （ab的解釋：平臺姿態(tài)不變其上各點運動形式一致在保持末端運動軌跡一致的前提下，可將3條運動鏈向平臺中心位置平移） 機構簡圖： 202

7、1-6-15 12 多數(shù)文章使用的公式：2.2 自由度分析 關于自由度計算公式的探索，可以參考科學出版社出版的論機構自由度尋找了150年的自由度通用公式 2021-6-15 13 Clavel給出的簡圖中從動桿兩端是用虎克鉸（十字萬向聯(lián)軸節(jié)）聯(lián)接的，很容易分析出同組桿共面，又由對邊長度相等得出每組（如5a和5b兩桿）從動桿參與構成平行四邊形。于是，如圖所示中的3組不同顏色軸線始終平行，進而保證了動平臺平行于靜平臺。 注意：中間桿14是為了增加末端執(zhí)行器繞Z軸旋轉的自由度，兩端是通過十字萬向節(jié)與電機軸、末端執(zhí)行器連接，末端執(zhí)行器與動平臺 通過軸承聯(lián)接，故對動平臺姿態(tài)保持無影響。 2.3 保證動平

8、臺始終水平的機制 2021-6-15 14 與串聯(lián)機器人相反，delta機器人逆解比正解的求取簡單。也可以像串聯(lián)機器人一樣建立DH坐標系，但逆解球分析法會簡單得多。位置逆解：已知末端位置求各主動臂擺角幾何求法：以末端位置P點為圓心作球面S， 主動臂L1在其工作范圍內(nèi)擺動時端點軌跡線 與球面S相交于一點J1，此時L1的擺動角theta 即為位置逆解。類似可以求得其他兩個擺角 2.4運動學分析 2021-6-15 15 奇異位形：實質上是指在機構達到該位形的瞬時自由度改變（增加或減少） 奇異(或稱為特殊)位形是機構固有的性質，是閉環(huán)機構, 尤其是并聯(lián)機構研究中較復雜的問題。可分為邊界奇異、局部奇異

9、和結構奇異三種形式。 delta機器人奇異位形也也比較復雜，不過可以通過限制主動臂運動范圍來避免奇異。 關于奇異概念的深入解析可以參考高等空間機構學第九章或其他關于并聯(lián)機構的資料2.5 奇異性分析 2021-6-15 16 可達工作空間是機器人末端可達位置點的集合; 靈巧工作空間是在滿足給定位姿范圍時機器人末端可達點的集合; 全工作空間是給定所有位姿時機器人末端可達點的集合。下圖中傘形空間為可達空間，圓柱空間為其靈巧工作空間。2.6 工作空間 2021-6-15 17 Apollo并聯(lián)機器人在運動過程中可以實現(xiàn)快速加減速，最快抓取速度可達24次/秒。配備視覺定位識別系統(tǒng)，精度可達0.1mm。

10、Apollo并聯(lián)機器人具有重量輕、體積小、運動速度快、定位精確、成本低、效率高等特點，加之配置視覺后能夠智能識別、檢測物體等特點，主要應用于食品、藥品和電子產(chǎn)品等快速分揀、抓取、裝配等領域。 3、delta并聯(lián)機器人綜合應用3.1 分揀作業(yè) 視頻：試管分揀 視頻：雙delta機器人協(xié)作 2021-6-15 18 2021-6-15 19 顯微外科手術，定位精度高，避免人工操作時的顫抖（為確保安全，應采用力/力矩控制模式，或至少加裝力/力矩傳感器） 3.2 其他應用 德國洪堡大學手術機器人 據(jù)了解，更精密的機器人正被開發(fā)應用于生物醫(yī)學中，進行染色體切割等高難度微細操作。手術： 2021-6-15

11、 20 整列情景：零件雜亂擺放，空間姿態(tài)各異，需要排列整齊，末端4自由度不足以完成任務 裝配情景：要求一次裝夾完成多個面的裝配，同時，可能有細長孔插裝任務。因此，必須對原delta機器人加以改進。整列、裝配： 雙delta嵌套設計 2021-6-15 21 FANUC六軸機器人 三軸鉸接式手腕（專利產(chǎn)品）+delta機器人 優(yōu)點：1、末端增加3個旋轉自由度，可以適用更復雜工況 2、速度更快每秒2000度的速度拾取、旋轉和放置物體 缺點：有效負載降低。第一代最大負載0.5kg，目前最大載荷可達6kg。 2021-6-15 22 delta并聯(lián)機器人的高精度、高速的性能在3d打印行業(yè)也得到的充分展

12、現(xiàn) 3D打?。?打印“小蠻腰” 打印“萊茵瓶” 2021-6-15 23 題外話 2021-6-15 24 活動：【DIY】Kossel 800開源3D打印機套件 詳詢：http:/ 只要￥1049驅動在底下，同步帶傳動；磁力球鉸、無彈簧樣機試驗成功、7月1日籌款結束， 2021-6-15 25 Q1：delta機器人實際用球鉸（3DOF）代替虎克鉸（2DOF）之后，無需添加其他約束，末端自由度不變？（動平臺仿真時會傾斜，但有樣機如此做而不傾斜） Q2：使用球鉸時，空間四桿機構是如何維持平行四邊形的？是靠彈簧拉緊作用？還是空間機構耦合的結果？ Q3：在進行自由度計算時，前人的做法均是對機構簡圖

13、進行分析，這種做法是否夠嚴謹？能否直接按原型分析計算？4、關于并聯(lián)機器人的思索關于delta機器人 空間四桿扭曲 2021-6-15 26 基于高精度、快速等固有優(yōu)點，并聯(lián)機器人從一出現(xiàn)就被廣泛地應用于工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。隨著科技水平的提升和世界各國對機器人事業(yè)的推進，機器人已從工廠、實驗室等特定場所逐漸走向尋常百姓家，而并聯(lián)/串并混聯(lián)機器人也理應占據(jù)一席之地。 然而據(jù)統(tǒng)計，當前在役機器人中采用串聯(lián)要遠多于并聯(lián)。并聯(lián)機器人使用受限的原因很多，比如發(fā)展歷史短，工作空間較小、運動耦合復雜，結構分析困難等。然而這種困難的背后往往潛藏著優(yōu)越性，我們只有攻克各個難題之后才能發(fā)現(xiàn)。在座的各位將來都是高技術人

14、才，我們要有信心、有決心迎接這些挑戰(zhàn)。關于并聯(lián)機器人 2021-6-15 27 2021-6-15 28 內(nèi)容安排：1、并聯(lián)機構與并聯(lián)機器人簡介2、delta并聯(lián)機構分析4、 關于delta并聯(lián)機器人的思考3、delta并聯(lián)機器人綜合應用3.1、分揀作業(yè)：delta機器人+視覺3.2、delta機器人其他應用形式 2021-6-15 29 構件：靜平臺，動平臺，均布的3根主動臂，3組從動臂（每組包括2根平行桿）。聯(lián)接件：3個轉動副，12個虎克餃（十字萬向節(jié)）2、delta并聯(lián)機構分析十字萬向節(jié)2.1 結構組成 2021-6-15 30 Clavel給出的簡圖中從動桿兩端是用虎克鉸（十字萬向聯(lián)軸

15、節(jié)）聯(lián)接的，很容易分析出同組桿共面，又由對邊長度相等得出每組（如5a和5b兩桿）從動桿參與構成平行四邊形。于是，如圖所示中的3組不同顏色軸線始終平行，進而保證了動平臺平行于靜平臺。 注意：中間桿14是為了增加末端執(zhí)行器繞Z軸旋轉的自由度，兩端是通過十字萬向節(jié)與電機軸、末端執(zhí)行器連接，末端執(zhí)行器與動平臺 通過軸承聯(lián)接，故對動平臺姿態(tài)保持無影響。 2.3 保證動平臺始終水平的機制 2021-6-15 31 奇異位形：實質上是指在機構達到該位形的瞬時自由度改變（增加或減少） 奇異(或稱為特殊)位形是機構固有的性質，是閉環(huán)機構, 尤其是并聯(lián)機構研究中較復雜的問題?？煞譃檫吔缙娈?、局部奇異和結構奇異三種

16、形式。 delta機器人奇異位形也也比較復雜，不過可以通過限制主動臂運動范圍來避免奇異。 關于奇異概念的深入解析可以參考高等空間機構學第九章或其他關于并聯(lián)機構的資料2.5 奇異性分析 2021-6-15 32 可達工作空間是機器人末端可達位置點的集合; 靈巧工作空間是在滿足給定位姿范圍時機器人末端可達點的集合; 全工作空間是給定所有位姿時機器人末端可達點的集合。下圖中傘形空間為可達空間，圓柱空間為其靈巧工作空間。2.6 工作空間 2021-6-15 33 基于高精度、快速等固有優(yōu)點，并聯(lián)機器人從一出現(xiàn)就被廣泛地應用于工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。隨著科技水平的提升和世界各國對機器人事業(yè)的推進，機器人已從工廠、實驗室等特定場所逐漸走向尋常百姓家，而并聯(lián)/串并混聯(lián)機器人也理應占據(jù)一席之地。 然而據(jù)統(tǒng)計，當前在役機器人中采用串聯(lián)要遠多于并聯(lián)。并聯(lián)機器人使用受限的原因很多，比如發(fā)展歷史短，工作空間較小、運動耦合復雜，結構分析困難等。然而這種困難的背后往往潛藏著優(yōu)越性，我們只有攻克各個難題之后才能發(fā)現(xiàn)。在座的各位將來都是高技術人才，我們要有信心、有決心迎接這些挑戰(zhàn)。關于并聯(lián)機器人