2021-6-15 1并聯(lián)機器人 仿生機器人學(xué)課程專題報告 2021-6-15 2 內(nèi)容安排：1、并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機器人簡介2、delta并聯(lián)機構(gòu)分析4、 關(guān)于delta并聯(lián)機器人的思考3、delta并聯(lián)機器人綜合應(yīng)用3.1、分揀作業(yè)：delta機器人+視覺3.2、delta機器人其他應(yīng)用形式 2021-6-15 3 1 并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機器人 機器人技術(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。 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(gòu)+驅(qū)控系統(tǒng)+其他附件 僅分析結(jié)構(gòu)特性時： 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(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、伺服電機等），因而其制造和庫存?zhèn)浼杀鞠鄬σ停菀捉M裝和模塊化。 1.1 并聯(lián)機構(gòu)組成并聯(lián)機構(gòu) 并聯(lián)機器人 2021-6-15 5 優(yōu)點： （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，使得傳動機構(gòu)具有很高的承載強度。 （2）動態(tài)性能優(yōu)越。運動部件質(zhì)量輕，慣性低,可有效改善伺服控制器的動態(tài)性能,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(gòu)不僅沒有串聯(lián)機構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊靈活性強。通過運動耦合，可以實現(xiàn)末端復(fù)雜的運動軌跡，尤其當(dāng)應(yīng)用于機床行業(yè)時，容易實現(xiàn)多軸聯(lián)動，加工復(fù)雜曲面。 （5）使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小。 缺點： （1）工作空間較??； （2）開發(fā)難度大（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動耦合復(fù)雜，奇異位形多)。 1.2 并聯(lián)機構(gòu)特點 2021-6-15 6 空間并聯(lián)機構(gòu)的復(fù)雜性示例 1dof 0dof平面五桿機構(gòu)（雙鏈并聯(lián)機構(gòu)) 平面機構(gòu)自由度計算公式： F=3n-2pl-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(gòu)的娛樂裝置。 1938年，Pollard發(fā)明并聯(lián)機構(gòu)用于汽車噴涂。 1948年，Gough發(fā)明并聯(lián)機構(gòu)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(gòu)，即著名的Stewart機構(gòu)。（后來被應(yīng)用到機床、海上礦井平臺、飛行模擬等多領(lǐng)域） 1931年Gwinnett的娛樂裝置 （5D電影） 1965年Stewart機構(gòu) 1.3 并聯(lián)機構(gòu)發(fā)展簡史 2021-6-15 8 1979年，Mccallino等人首次設(shè)計出了在小型計算機控制下，在精密裝配中完成校準(zhǔn)任務(wù)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(shè)計出delta并聯(lián)機構(gòu)，經(jīng)過不斷修改完善，成功應(yīng)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(gòu)被提出，但真正能應(yīng)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(shè)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(gòu) 2021-6-15 9 構(gòu)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(zhuǎn)動副，12個虎克餃（十字萬向節(jié)）2、delta并聯(lián)機構(gòu)分析十字萬向節(jié)2.1 結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)簡圖： 2021-6-15 12 多數(shù)文章使用的公式：2.2 自由度分析 關(guān)于自由度計算公式的探索，可以參考科學(xué)出版社出版的論機構(gòu)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(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(zhuǎn)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 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(biāo)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(xué)分析 2021-6-15 15 奇異位形：實質(zhì)上是指在機構(gòu)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(gòu)固有的性質(zhì)，是閉環(huán)機構(gòu), 尤其是并聯(lián)機構(gòu)研究中較復(fù)雜的問題?？煞譃檫吔缙娈悺⒕植科娈惡徒Y(jié)構(gòu)奇異三種形式。 delta機器人奇異位形也也比較復(fù)雜，不過可以通過限制主動臂運動范圍來避免奇異。 關(guān)于奇異概念的深入解析可以參考高等空間機構(gòu)學(xué)第九章或其他關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)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。 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(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機器人協(xié)作 2021-6-15 18 2021-6-15 19 顯微外科手術(shù)，定位精度高，避免人工操作時的顫抖（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 德國洪堡大學(xué)手術(shù)機器人 據(jù)了解，更精密的機器人正被開發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中，進行染色體切割等高難度微細操作。手術(shù)： 2021-6-15 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(wù) 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(wù)。因此，必須對原delta機器人加以改進。整列、裝配： 雙delta嵌套設(shè)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(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：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)也得到的充分展現(xiàn) 3D打印： 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(qū)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(jié)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(gòu)是如何維持平行四邊形的？是靠彈簧拉緊作用？還是空間機構(gòu)耦合的結(jié)果？ Q3：在進行自由度計算時，前人的做法均是對機構(gòu)簡圖進行分析，這種做法是否夠嚴(yán)謹(jǐn)？能否直接按原型分析計算？4、關(guān)于并聯(lián)機器人的思索關(guān)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(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?qū)こ０傩占?，而并?lián)/串并混聯(lián)機器人也理應(yīng)占據(jù)一席之地。 然而據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)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(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，我們只有攻克各個難題之后才能發(fā)現(xiàn)。在座的各位將來都是高技術(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)機器人 2021-6-15 27 2021-6-15 28 內(nèi)容安排：1、并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機器人簡介2、delta并聯(lián)機構(gòu)分析4、 關(guān)于delta并聯(lián)機器人的思考3、delta并聯(lián)機器人綜合應(yīng)用3.1、分揀作業(yè)：delta機器人+視覺3.2、delta機器人其他應(yīng)用形式 2021-6-15 29 構(gòu)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(zhuǎn)動副，12個虎克餃（十字萬向節(jié)）2、delta并聯(lián)機構(gòu)分析十字萬向節(jié)2.1 結(jié)構(gòu)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(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(zhuǎn)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(zhì)上是指在機構(gòu)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(gòu)固有的性質(zhì)，是閉環(huán)機構(gòu), 尤其是并聯(lián)機構(gòu)研究中較復(fù)雜的問題?？煞譃檫吔缙娈悺⒕植科娈惡徒Y(jié)構(gòu)奇異三種形式。 delta機器人奇異位形也也比較復(fù)雜，不過可以通過限制主動臂運動范圍來避免奇異。 關(guān)于奇異概念的深入解析可以參考高等空間機構(gòu)學(xué)第九章或其他關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)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(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?qū)こ０傩占?，而并?lián)/串并混聯(lián)機器人也理應(yīng)占據(jù)一席之地。 然而據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)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(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，我們只有攻克各個難題之后才能發(fā)現(xiàn)。在座的各位將來都是高技術(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)機器人