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2020 3 16 1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)器人 仿生機(jī)器人學(xué)課程專題報(bào)告 姓名 班級(jí) 13級(jí)機(jī)碩1班學(xué)號(hào) 2111301003 2020 3 16 2 內(nèi)容安排 1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡介 3 delta并聯(lián)機(jī)器人詳解 4 關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的思索 2020 3 16 3 1并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡介 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)可以回溯至20世紀(jì)30年代 1931年 格威內(nèi)特 Gwinnett 在其專利中提出了一種基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂裝置 在之后的幾十年內(nèi) 新的并聯(lián)機(jī)構(gòu)不斷被提出并應(yīng)用于汽車噴涂 輪胎檢測(cè) 飛行模擬器等工業(yè)領(lǐng)域 其中由Gough于1962年發(fā)明 并被Stewart系統(tǒng)研究的Gough Stewart機(jī)構(gòu) 或稱Stewart機(jī)構(gòu) 運(yùn)用最廣 至今仍然被廣泛研究和使用 1931年Gwinnett的娛樂裝置 5D電影 1965年Stewart機(jī)構(gòu) 2020 3 16 4 1985法國克拉維爾 Clavel 教授設(shè)計(jì)出delta并聯(lián)機(jī)構(gòu) 或稱為delta機(jī)器人 2020 3 16 5 按自由度分類 1 2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2 3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 3 4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 4 5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 5 6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 如Stewart機(jī)構(gòu) 雙Delta嵌套機(jī)構(gòu) 其中2 3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在平面機(jī)構(gòu)這一特殊情況 研究難度降低很多 較多地被人們研究和使用 6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類 是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機(jī)構(gòu) 廣泛應(yīng)用在飛行模擬器 6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域 但這類機(jī)構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決 比如其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 動(dòng)力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機(jī)床的精度標(biāo)定等 2020 3 16 6 2020 3 16 7 2020 3 16 8 為了滿足越來越復(fù)雜的工作需求 研究和使用多自由度 3 6 的空間機(jī)構(gòu)顯示出一定的必要性 近年來 國內(nèi)外機(jī)構(gòu)型研究主要集中在多自由度多支鏈并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型問題上 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)屬于空間多環(huán)多自由度機(jī)構(gòu) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題 到目前為止 國內(nèi)外主要有四種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合研究方法 即基于螺旋理論的給定末端運(yùn)動(dòng)約束的型綜合法 基于李代數(shù)的型綜合法 基于給定末端運(yùn)動(dòng)的型綜合法和列舉型綜合法 2020 3 16 9 并聯(lián)機(jī)器人組成 一個(gè)固定基座 一個(gè)具有n自由度的末端執(zhí)行器以及不少于兩條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈 并聯(lián)機(jī)器人特點(diǎn) 1 無累積誤差 精度較高 2 驅(qū)動(dòng)裝置可置于定平臺(tái)上或接近定平臺(tái)的位置 這樣運(yùn)動(dòng)部分重量輕 速度高 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 3 結(jié)構(gòu)緊湊 剛度高 承載能力大 4 完全對(duì)稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性 5 工作空間較小 2020 3 16 10 2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例 第一代delta 1985 Delta機(jī)器人就像一個(gè)倒掛的有三個(gè)腳的蜘蛛 因其的靈巧 速度和精確在裝配 自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域得到應(yīng)用 被譽(yù)為 最成功的并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì) 并于1990年前后在世界各國申請(qǐng)專利 2 1delta機(jī)器人 2020 3 16 11 由于專利保護(hù)的限制 delta機(jī)器人早期并沒有得到應(yīng)有的推廣 直到近年專利保護(hù)一一終止后 才開始被世界各地的制造商爭相生產(chǎn)和開發(fā) 在Delta原型基礎(chǔ)上 研究人員做了很多衍生機(jī)型 2020 3 16 12 FANUC六軸機(jī)器人 三軸鉸接式手腕 專利產(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 3 16 13 瑞士工業(yè)公司 將轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)改為移動(dòng)付驅(qū)動(dòng) 2020 3 16 14 工業(yè)應(yīng)用 2020 3 16 15 2020 3 16 16 視頻 餅干抓取 視頻 試管分揀 2020 3 16 17 虛擬軸機(jī)床又稱并聯(lián)機(jī)床 ParallelKinematicsMachineTools 實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)和機(jī)床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 與傳統(tǒng)機(jī)床比較 優(yōu)點(diǎn) 比剛度高 彈性模量與其密度的比值 比剛度較高說明相同剛度下材料重量更輕 響應(yīng)速度快及運(yùn)動(dòng)精度高 缺點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)空間小 空間可轉(zhuǎn)角度 靈活性 小 開放性差 2 2虛擬軸機(jī)床簡介 1990s 2020 3 16 18 傳統(tǒng)機(jī)床與虛擬軸機(jī)床外觀差異 2020 3 16 19 2020 3 16 20 視頻 虛擬軸機(jī)床一 視頻 虛擬軸機(jī)床二 2020 3 16 21 3 delta并聯(lián)機(jī)器人詳解 3 1自由度計(jì)算機(jī)構(gòu)見圖的化簡有利于運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析 但有文章在計(jì)算自由度的時(shí)候也直接按化簡后的簡圖計(jì)算 個(gè)人認(rèn)為欠妥 因?yàn)榘哑脚_(tái)化簡為點(diǎn)的過程其實(shí)忽略了其姿態(tài)信息 而姿態(tài)的變化也屬于自由度的范疇 因此個(gè)人傾向于用原機(jī)構(gòu)簡圖分析 2020 3 16 22 針對(duì)空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式 國內(nèi)外研究人員做了大量研究也得出了大量的 至少35個(gè) 公式 其中大多都是適用條件限制或者若干 注意事項(xiàng) 如需要甑別公共約束 虛約束 環(huán)數(shù) 鏈數(shù) 局部自由度等等 馬婁謝夫 前蘇聯(lián) 空間機(jī)構(gòu)計(jì)算式 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) 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) Delta 3個(gè)主動(dòng)臂P5 12個(gè)球鉸P3W 6 11 1 5 3 3 12 6 3應(yīng)注意機(jī)構(gòu)中六根碳纖維桿保留6個(gè)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的局部自由度 2020 3 16 23 Kutzbach Grubler公式計(jì)算獲得 2020 3 16 24 國內(nèi)北華大學(xué)歐陽富等人發(fā)表了一系列文章 并于2003年提出一個(gè)可以替代此前34個(gè)計(jì)算公式的公式 作者稱此公式適用范圍最寬且計(jì)算過程簡單 但事實(shí)上公式中 包含有5種多余自由度 甑別和計(jì)算過程并不簡單 2020 3 16 25 3 2保證動(dòng)平臺(tái)始終水平的機(jī)制 Clavel給出的簡圖中從動(dòng)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 有由對(duì)邊長度相等得出每組 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) 十字萬向節(jié) 注意 中間桿是為了增加末端執(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(jī)軸 末端執(zhí)行器連接 末端執(zhí)行器與動(dòng)平臺(tái)通過軸承聯(lián)接 故對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)保持無影響 2020 3 16 26 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 須補(bǔ)充添加約束 在分析動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)時(shí) 有文章也籠統(tǒng)地指出delta機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)保持水平是靠從動(dòng)桿組成的平行四邊形 但并沒有詳細(xì)分析對(duì)邊相等的四桿機(jī)構(gòu)如何在空間中保持共面 容易讓人造成誤解 2020 3 16 27 球鉸聯(lián)接的空間四桿機(jī)構(gòu) 初始狀態(tài) 自由扭曲 約束球鉸端面平行后扭曲 2020 3 16 28 Delta初始狀態(tài) 運(yùn)動(dòng)中扭曲 約束球鉸端面平行后扭曲 solidworks仿真時(shí) 仿真結(jié)構(gòu)與真實(shí)機(jī)構(gòu)差別只在從動(dòng)桿之間的彈簧上 試驗(yàn)證明其作用不 只 在于保證球鉸端面平行 那么這兩個(gè)彈簧作用機(jī)理是如何呢 2020 3 16 29 3 3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人不同 后者正運(yùn)動(dòng)學(xué)簡單而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解復(fù)雜 通常都是求出正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程后借助matlab等數(shù)學(xué)工具反求逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解 而并聯(lián)機(jī)器人往往是逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡單而正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解困難 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 類似可以求得其他兩個(gè)擺角 2020 3 16 30 3 4奇異性分析 奇異位形 奇異 或稱為特殊 位形是閉環(huán)機(jī)構(gòu) 尤其是并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究中較復(fù)雜的問題 長期以來許多學(xué)者非常關(guān)注奇異位形的研究 奇異位形分為邊界奇異 局部奇異和結(jié)構(gòu)奇異三種形式 奇異形位是機(jī)構(gòu)固有的性質(zhì) 它對(duì)機(jī)構(gòu)的工作性能有著嚴(yán)重的影響邊界奇異位形 邊界奇異位形det J 0有外邊界和內(nèi)邊界奇異位形局部奇異位形det J 表示機(jī)器人末端在該位形有一個(gè)不可控的局部自由度 局部奇異位形是并聯(lián)機(jī)構(gòu)特有的 它不存在于串聯(lián)機(jī)構(gòu)中 局部奇異位形是并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問題之一 結(jié)構(gòu)奇異位形det J 0 0當(dāng)速度雅可比矩陣的行列式趨于零比零時(shí)機(jī)器人處于結(jié)構(gòu)奇異位形 結(jié)構(gòu)奇異位形也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)特有的特性 只有滿足特殊機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)方能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)奇異位形 在仿真過程中出現(xiàn)了 扭曲 甚至 打結(jié) 到無法復(fù)原的狀況 應(yīng)該就是到了奇異位形Butwhy That sinteresting 想要理解透徹 應(yīng)該需要很多下功夫啊 2020 3 16 31 共同癥狀就是無法順利的構(gòu)建逆解分析球面 2020 3 16 32 3 5工作空間 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 可達(dá)工作空間 W 可利用圓弧相交的方法獲得 其形狀為一個(gè)似傘形的三維空間也可以用matlab實(shí)現(xiàn) 2020 3 16 33 4 關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的思索 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 比如工作空間較小 負(fù)載能力有限等等 我認(rèn)為 還有一個(gè)重要原因是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu) 尤其是空間并聯(lián)機(jī)構(gòu) 的復(fù)雜性 人們對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究還不夠透徹 目前開發(fā)出的可用并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)量有限 目前被充分研究并被廣泛應(yīng)用的也只有于Stewart Delta等少數(shù)幾類 2020 3 16 34 從前面對(duì)delta系統(tǒng)分析的過程中我們已經(jīng)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性有所了解 而這種復(fù)雜性正潛藏了一些未知的優(yōu)越性 所以并聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人的開發(fā)必將對(duì)機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大助力 空間機(jī)構(gòu)的研究 是有一些經(jīng)典理論支持的 比如 螺旋理論 國內(nèi)燕山大學(xué)黃真教授對(duì)這方面做了大量研究并取得較大成果 其編著的 高等空間機(jī)構(gòu)學(xué) 也是一本不錯(cuò)的參考書 可以作為空間機(jī)構(gòu)研究的切入點(diǎn) 有興趣的同學(xué)以后可以一起學(xué)習(xí)探討 2020 3 16 35 ThankYou