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1、2020/8/6,1,并聯(lián)機(jī)器人,仿生機(jī)器人學(xué)課程專(zhuān)題報(bào)告,姓名：吳 班級(jí)：13級(jí)機(jī)碩1班 學(xué)號(hào)：2111301003,2020/8/6,2,內(nèi)容安排：,,1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)器人簡(jiǎn)介,2、delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析,4、 關(guān)于delta并聯(lián)機(jī)器人的思考,2020/8/6,3,1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)器人,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(diào)重復(fù)的工作，而且能在危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境下完成復(fù)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(jī)器人往往存在運(yùn)動(dòng)慣量大、剛度低、誤差累積等缺點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)器人的出現(xiàn)則剛好彌補(bǔ)了這些不足。,2020/8/6,4,,并聯(lián)機(jī)器人組成：固

2、定基座*1、末端執(zhí)行器*1、獨(dú)立運(yùn)動(dòng)鏈*n（n=2）。 機(jī)器人=機(jī)構(gòu)+驅(qū)控系統(tǒng)+其他附件 僅分析結(jié)構(gòu)特性時(shí)： 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)量少（主要有滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等），因而其制造和庫(kù)存?zhèn)浼杀鞠鄬?duì)要低，容易組裝和模塊化。,1.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成,并聯(lián)機(jī)構(gòu),并聯(lián)機(jī)器人,,2020/8/6,5,,優(yōu)點(diǎn)： （1）剛度質(zhì)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(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的承載強(qiáng)度。 （2）動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越。運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕，慣性低,可有效改善伺服控制器的動(dòng)態(tài)性能,使動(dòng)平臺(tái)獲得很高的速度與加速度,適于

3、高速作業(yè)。 （3）運(yùn)動(dòng)精度高。并聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅沒(méi)有串聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在的誤差累積，而且各條運(yùn)動(dòng)鏈的誤差在末端可以有一個(gè)相互抵消的平均化效果。 （4）結(jié)構(gòu)緊湊靈活性強(qiáng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)耦合，可以實(shí)現(xiàn)末端復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，尤其當(dāng)應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，加工復(fù)雜曲面。 （5）使用壽命長(zhǎng)。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)部件磨損小。 缺點(diǎn)： （1）工作空間較?。? （2）開(kāi)發(fā)難度大（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)耦合復(fù)雜，奇異位形多)。,1.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn),2020/8/6,6,空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性示例,,1dof,0dof,平面五桿機(jī)構(gòu) （雙鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)),平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式： F=3n-2pl-ph 式中 n為活動(dòng)桿件數(shù)（

4、不算機(jī)架） pl為平面低副數(shù)（即只有一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副） ph為平面高副數(shù),2020/8/6,7,1931年，格威內(nèi)特（Gwinnett）基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂(lè)裝置。 1938年，Pollard發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于汽車(chē)噴涂。 1948年，Gough發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于輪胎檢測(cè)。 1965年 Stewart在他的一篇文章提出了一種6自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，即著名的Stewart機(jī)構(gòu)。（后來(lái)被應(yīng)用到機(jī)床、海上礦井平臺(tái)、飛行模擬等多領(lǐng)域）,1931年Gwinnett的娛樂(lè)裝置 （5D電影）,1965年Stewart機(jī)構(gòu),,1.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)史,2020/8/6,8,,1979年，Mccallino等人

5、首次設(shè)計(jì)出了在小型計(jì)算機(jī)控制下，在精密裝配中完成校準(zhǔn)任務(wù)的并聯(lián)機(jī)器人，從而真正拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)器人研究的序幕。 1985年，法國(guó)克拉維爾（Clavel）教授設(shè)計(jì)出delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不斷修改完善，成功應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。于1990年前后在各國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利。 在此之后，并聯(lián)機(jī)器人逐漸成為研究熱點(diǎn)，越來(lái)越多的并聯(lián)機(jī)構(gòu)被提出，但真正能應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的并不多。 delta被稱(chēng)為“最成功的并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)”，由于專(zhuān)利保護(hù)，限制了其推廣。專(zhuān)利到期后各企業(yè)爭(zhēng)相生產(chǎn)，成為熱門(mén)機(jī)型。,delta并聯(lián)機(jī)構(gòu),2020/8/6,9,,構(gòu)件：靜平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)，均布的3根主動(dòng)臂，3組從動(dòng)臂（每組包括2根平行桿）。 聯(lián)接

6、件：3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，12個(gè)虎克餃（十字萬(wàn)向節(jié)）,2、delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析,十字萬(wàn)向節(jié),2.1 結(jié)構(gòu)組成,2020/8/6,10,,而實(shí)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(gè)拉緊彈簧，有助于保持同組從動(dòng)桿平行，但也有些樣機(jī)沒(méi)有增加彈簧組件。,,,,,2020/8/6,11,合理的簡(jiǎn)化有助于對(duì)機(jī)構(gòu)的分析，多篇文獻(xiàn)中對(duì)delta機(jī)器人進(jìn)行了如上圖所示的簡(jiǎn)化。比如進(jìn)行自由度分析時(shí)，采用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖a），進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)采用更加精簡(jiǎn)的圖b)。 （ab的解釋?zhuān)浩脚_(tái)姿態(tài)不變其上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式一致在保持末端運(yùn)動(dòng)軌跡一致的前提下，可將3條運(yùn)動(dòng)鏈向平臺(tái)中心位置平移）,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖：,2020/

7、8/6,12,,多數(shù)文章使用的公式：,2.2 自由度分析,2020/8/6,13,,Clavel給出的簡(jiǎn)圖中從動(dòng)桿兩端是用虎克鉸（十字萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)）聯(lián)接的，很容易分析出同組桿共面，又由對(duì)邊長(zhǎng)度相等得出每組（如5a和5b兩桿）從動(dòng)桿參與構(gòu)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(jìn)而保證了動(dòng)平臺(tái)平行于靜平臺(tái)。,注意：中間桿14是為了增加末端執(zhí)行器繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，兩端 是通過(guò)十字萬(wàn)向節(jié)與電機(jī)軸、末端執(zhí)行器連接，末端執(zhí)行器與動(dòng)平臺(tái) 通過(guò)軸承聯(lián)接，故對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)保持無(wú)影響。,2.3 保證動(dòng)平臺(tái)始終水平的機(jī)制,2020/8/6,14,,與串聯(lián)機(jī)器人相反，delta機(jī)器人逆解比正解的求取

8、簡(jiǎn)單。也可以像串聯(lián)機(jī)器人一樣建立DH坐標(biāo)系，但逆解球分析法會(huì)簡(jiǎn)單得多。,位置逆解：已知末端位置求各主動(dòng)臂擺角 幾何求法：以末端位置P點(diǎn)為圓心作球面S， 主動(dòng)臂L1在其工作范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)端點(diǎn)軌跡線 與球面S相交于一點(diǎn)J1，此時(shí)L1的擺動(dòng)角theta 即為位置逆解。類(lèi)似可以求得其他兩個(gè)擺角,2.4運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,2020/8/6,15,,奇異位形：實(shí)質(zhì)上是指在機(jī)構(gòu)達(dá)到該位形的瞬時(shí)自由度改變（增加或減少） 奇異(或稱(chēng)為特殊)位形是機(jī)構(gòu)固有的性質(zhì)，是閉環(huán)機(jī)構(gòu), 尤其是并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究中較復(fù)雜的問(wèn)題?？煞譃檫吔缙娈悺⒕植科娈惡徒Y(jié)構(gòu)奇異三種形式。 delta機(jī)器人奇異位形也也比較復(fù)雜，不過(guò)可以通過(guò)限制主動(dòng)臂

9、運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)避免奇異。,關(guān)于奇異概念的深入解析可以參考 高等空間機(jī)構(gòu)學(xué)第九章或 其他關(guān)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的資料,2.5 奇異性分析,2020/8/6,16,,可達(dá)工作空間是機(jī)器人末端可達(dá)位置點(diǎn)的集合; 靈巧工作空間是在滿足給定位姿范圍時(shí)機(jī)器人末端可達(dá)點(diǎn)的集合; 全工作空間是給定所有位姿時(shí)機(jī)器人末端可達(dá)點(diǎn)的集合。下圖中傘形空間為可達(dá)空間，圓柱空間為其靈巧工作空間。,2.6 工作空間,2020/8/6,17,,Apollo并聯(lián)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)快速加減速，最快抓取速度可達(dá)24次/秒。配備視覺(jué)定位識(shí)別系統(tǒng)，精度可達(dá)0.1mm。 Apollo并聯(lián)機(jī)器人具有重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)速度快、定位精確、成本低、

10、效率高等特點(diǎn)，加之配置視覺(jué)后能夠智能識(shí)別、檢測(cè)物體等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于食品、藥品和電子產(chǎn)品等快速分揀、抓取、裝配等領(lǐng)域。,3、delta并聯(lián)機(jī)器人綜合應(yīng)用,3.1 分揀作業(yè),視頻：試管分揀,視頻：雙delta機(jī)器人協(xié)作,2020/8/6,18,,,,2020/8/6,19,,顯微外科手術(shù)，定位精度高，避免人工操作時(shí)的顫抖（為確保安全，應(yīng)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(yīng)用,德國(guó)洪堡大學(xué)手術(shù)機(jī)器人,,據(jù)了解，更精密的機(jī)器人正被開(kāi)發(fā)應(yīng) 用于生物醫(yī)學(xué)中，進(jìn)行染色體切割等 高難度微細(xì)操作。,手術(shù)：,2020/8/6,20,,整列情景： 零件雜亂擺放，空間姿態(tài)各異，需要排列整

11、齊，末端4自由度不足以完成任務(wù) 裝配情景： 要求一次裝夾完成多個(gè)面的裝配，同時(shí)，可能有細(xì)長(zhǎng)孔插裝任務(wù)。 因此，必須對(duì)原delta機(jī)器人加以改進(jìn)。,整列、裝配：,雙delta嵌套設(shè)計(jì),2020/8/6,21,FANUC六軸機(jī)器人,三軸鉸接式手腕（專(zhuān)利產(chǎn)品）+delta機(jī)器人 優(yōu)點(diǎn)：1、末端增加3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可以適用更復(fù)雜工況 2、速度更快每秒2000度的速度拾取、旋轉(zhuǎn)和放置物體 缺點(diǎn)：有效負(fù)載降低。第一代最大負(fù)載0.5kg，目前最大載荷可達(dá)6kg。,2020/8/6,22,,delta并聯(lián)機(jī)器人的高精度、高速的性能在3d打印行業(yè)也得到的充分展現(xiàn),3D打?。?打印“小蠻腰”,打印“萊茵瓶”,20

12、20/8/6,23,題外話,,2020/8/6,24,,活動(dòng)：【DIY】Kossel 800開(kāi)源3D打印機(jī)套件 詳詢(xún)：,,,只要￥1049,驅(qū)動(dòng)在底下，同步帶傳動(dòng)；磁力球鉸、無(wú)彈簧 樣機(jī)試驗(yàn)成功、7月1日籌款結(jié)束，,2020/8/6,25,,Q1：delta機(jī)器人實(shí)際用球鉸（3DOF）代替虎克鉸（2DOF）之后，無(wú)需添加其他約束，末端自由度不變？（動(dòng)平臺(tái)仿真時(shí)會(huì)傾斜，但有樣機(jī)如此做而不傾斜） Q2：使用球鉸時(shí)，空間四桿機(jī)構(gòu)是如何維持平行四邊形的？是靠彈簧拉緊作用？還是空間機(jī)構(gòu)耦合的結(jié)果？ Q3：在進(jìn)行自由度計(jì)算時(shí)，前人的做法均是對(duì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行分析，這種做法是否夠嚴(yán)謹(jǐn)？能否直接按原型分析計(jì)算？,

13、4、關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的思索,關(guān)于delta機(jī)器人,空間四桿扭曲,2020/8/6,26,基于高精度、快速等固有優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人從一出現(xiàn)就被廣泛地應(yīng)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(guó)對(duì)機(jī)器人事業(yè)的推進(jìn)，機(jī)器人已從工廠、實(shí)驗(yàn)室等特定場(chǎng)所逐漸走向?qū)こ０傩占?，而并?lián)/串并混聯(lián)機(jī)器人也理應(yīng)占據(jù)一席之地。 然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前在役機(jī)器人中采用串聯(lián)要遠(yuǎn)多于并聯(lián)。并聯(lián)機(jī)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(yùn)動(dòng)耦合復(fù)雜，結(jié)構(gòu)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(gè)難題之后才能發(fā)現(xiàn)。在座的各位將來(lái)都是高技術(shù)人才，我們要有信心、有決心迎接這些挑戰(zhàn)。,,關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人,2020/8/6,27,,,Thank You！,