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1、2020/9/20,1,并聯(lián)機構與并聯(lián)機器人,仿生機器人學課程專題報告,姓名: 班級:13級機碩1班 學號:2111301003,2020/9/20,2,內容安排:,,1、并聯(lián)機構簡介,3、delta并聯(lián)機器人詳解,4、 關于并聯(lián)機器人的思索,2020/9/20,3,1 并聯(lián)機構簡介,并聯(lián)機構的出現(xiàn)可以回溯至20世紀30年代。1931年,格威內特(Gwinnett)在其專利中提出了一種基于球面并聯(lián)機構的娛樂裝置。在之后的幾十年內,新的并聯(lián)機構不斷被提出并應用于汽車噴涂、輪胎檢測、飛行模擬器等工業(yè)領域。其中由Gough于1962年發(fā)明,并被Stewart系統(tǒng)研究的Gough-Stewart機構(
2、或稱Stewart機構)運用最廣,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機構,2020/9/20,4,,1985法國克拉維爾(Clavel)教授設計出delta并聯(lián)機構(或稱為delta機器人),2020/9/20,5,按自由度分類,(1 )2 自由度并聯(lián)機構。 (2 )3 自由度并聯(lián)機構。 (3 )4 自由度并聯(lián)機構。 (4 )5 自由度并聯(lián)機構。 (5 )6 自由度并聯(lián)機構。(如Stewart機構、雙Delta嵌套機構) 其中2、3自由度并聯(lián)機構中存在平面機構這一特殊情況,研究難度降低很多,較多地被人們研究和使用。 6 自由
3、度并聯(lián)機構是并聯(lián)機器人機構中的一大類,是國內外學者研究得最多的并聯(lián)機構,廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決,比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。,2020/9/20,6,,,2020/9/20,7,,,2020/9/20,8,,為了滿足越來越復雜的工作需求,研究和使用多自由度(36)的空間機構顯示出一定的必要性。 近年來, 國內外機構型研究主要集中在多自由度多支鏈并聯(lián)機器人構型問題上。并聯(lián)機構的結構屬于空間多環(huán)多自由度機構。并聯(lián)機構的構型綜合是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。到目前為止, 國內外主要有四種并聯(lián)
4、機構的型綜合研究方法, 即基于螺旋理論的給定末端運動約束的型綜合法、基于李代數(shù)的型綜合法、基于給定末端運動的型綜合法和列舉型綜合法。,2020/9/20,9,,并聯(lián)機器人組成:一個固定基座、一個具有n自由度的末端執(zhí)行器以及不少于兩條獨立的運動鏈。 并聯(lián)機器人特點: (1)無累積誤差,精度較高; (2)驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置,這樣運動部分重量輕,速度高,動態(tài)響應好; (3)結構緊湊,剛度高,承載能力大; (4)完全對稱的并聯(lián)機構具有較好的各向同性; (5)工作空間較?。?2020/9/20,10,2、并聯(lián)機構應用實例,第一代delta(1985) Delta機器人就像一個倒掛的
5、有三個腳的蜘蛛,因其的靈巧、速度和精確在裝配、自動化和醫(yī)療設備領域得到應用,被譽為“最成功的并聯(lián)機器人設計”,并于1990年前后在世界各國申請專利。,2.1 delta機器人,2020/9/20,11,,由于專利保護的限制,delta機器人早期并沒有得到應有的推廣,直到近年專利保護一一終止后,才開始被世界各地的制造商爭相生產(chǎn)和開發(fā)。 在Delta原型基礎上,研究人員做了很多衍生機型。,2020/9/20,12,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
6、負載降低。第一代最大負載0.5kg,目前最大載荷可達6kg。,2020/9/20,13,,,瑞士工業(yè)公司,將轉動副 驅動改為移動付驅動,2020/9/20,14,工業(yè)應用,,2020/9/20,15,,,2020/9/20,16,,,視頻:餅干抓取,視頻:試管分揀,2020/9/20,17,虛擬軸機床又稱并聯(lián)機床(Parallel Kinematics Machine Tools ),實質上是機器人技術和機床技術相結合的產(chǎn)物 。 與傳統(tǒng)機床比較: 優(yōu)點: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)、響應速度快及運動精度高。 缺點:運動空間小、空間可轉角度(靈活性)小
7、、開放性差。,2.2 虛擬軸機床簡介(1990s),2020/9/20,18,傳統(tǒng)機床與虛擬軸機床外觀差異,,2020/9/20,19,,,2020/9/20,20,,,視頻:虛擬軸機床一,視頻:虛擬軸機床二,2020/9/20,21,3、delta并聯(lián)機器人詳解,3.1 自由度計算 機構見圖的化簡有利于運動學的分析,但有文章在計算自由度的時候也直接按化簡后的簡圖計算,個人認為欠妥。因為把平臺化簡為點的過程其實忽略了其姿態(tài)信息,而姿態(tài)的變化也屬于自由度的范疇,因此個人傾向于用原機構簡圖分析,2020/9/20,22,,針對空間機構自由度計算公式,國內外研究人員做了大量研究也得出了大量的(至
8、少35個)公式,其中大多都是適用條件限制或者若干“注意事項”(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))空間機構計算式,平面機構自由度計算公式: 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),Delta:3個主動臂P5,12個球鉸P3 W=6(11-1)-5*3-3*12-6=3 應注意機構中六根碳纖維桿保留6個繞自身軸線旋轉的局部自由度,2020/9/20,23,,Kutzbach Grubler公式計算獲得,2020/9/20,24,,國內北華大學歐陽富等人發(fā)表了一系列文
9、章,并于2003年提出一個可以替代此前34個計算公式的公式: 作者稱此公式適用范圍最寬且計算過程簡單,但事實上公式中包含有5種多余自由度,甑別和計算過程并不簡單。,2020/9/20,25,3.2 保證動平臺始終水平的機制,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,有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。,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
10、通過軸承聯(lián)接,故對動平臺姿態(tài)保持無影響。,2020/9/20,26,,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(須補充添加約束),在分析動平臺姿態(tài)時,有文章也籠統(tǒng)地指出delta機器人動平臺保持水平是靠從動桿組成的平行四邊形,但并沒有詳細分析對邊相等的四桿機構如何在空間中保持共面,容易讓人造成誤解。,,2020/9/20,27,,,,球鉸聯(lián)接的空間四桿機構 (初始狀態(tài)),自由扭曲,約束球鉸端面平行后扭曲,2020/9/20,28,,,Delta初始狀態(tài),運動中扭曲,約束球鉸端面平行后扭曲,solidworks仿真時,仿真結構與真實機構差別只在 從動桿之間的彈簧上,試驗證明其
11、作用不(只)在于保證 球鉸端面平行。那么這兩個彈簧作用機理是如何呢?,2020/9/20,29,3.3 運動學分析,并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人不同,后者正運動學簡單而逆運動學求解復雜,通常都是求出正運動學方程后借助matlab等數(shù)學工具反求逆運動學解。而并聯(lián)機器人往往是逆運動學求解簡單而正運動學求解困難。,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,2020/9/20,30,3.4 奇異性分析,奇異位形。奇異(或稱為特殊)
12、位形是閉環(huán)機構, 尤其是并聯(lián)機構研究中較復雜的問題, 長期以來許多學者非常關注奇異位形的研究。奇異位形分為邊界奇異、局部奇異和結構奇異三種形式。奇異形位是機構固有的性質, 它對機構的工作性能有著嚴重的影響邊界奇異位形。 邊界奇異位形 det(J)=0有外邊界和內邊界奇異位形 局部奇異位形 det(J), 表示機器人末端在該位形有一個不可控的局部自由度。局部奇異位形是并聯(lián)機構特有的, 它不存在于串聯(lián)機構中。局部奇異位形是并聯(lián)機構領域重點研究的問題之一。 結構奇異位形 det(J)0:0當速度雅可比矩陣的行列式趨于零比零時機器人處于結構奇異位形。結構奇異位形也是并聯(lián)機構特有的特性, 只有滿足特殊機
13、構尺寸時方能產(chǎn)生結構奇異位形。,在仿真過程中出現(xiàn)了“扭曲”甚至“打結”到 無法復原的狀況,應該就是到了奇異位形 But why?Thats interesting! 想要理解透徹,應該需要很多下功夫啊,2020/9/20,31,,,共同癥狀就是無法順利的 構建逆解分析球面。,2020/9/20,32,3.5 工作空間,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??蛇_工作空間(W)可利用圓弧相交的方法獲得,其形狀為一個似傘形的三維空間也可以用matlab實現(xiàn),2020/9/20,33,4
14、、關于并聯(lián)機器人的思索,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)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,比如工作空間較小、負載能力有限等等。我認為,還有一個重要原因是因為并聯(lián)機構(尤其是空間并聯(lián)機構)的復雜性,人們對并聯(lián)機構的研究還不夠透徹,目前開發(fā)出的可用并聯(lián)機構數(shù)量有限。目前被充分研究并被廣泛應用的也只有于Stewart、Delta等少數(shù)幾類。,2020/9/20,34,,從前面對delta系統(tǒng)分析的過程中我們已經(jīng)對并聯(lián)機構的復雜性有所了解,而這種復雜性正潛藏了一些未知的優(yōu)越性,所以并聯(lián)機構和并聯(lián)機器人的開發(fā)必將對機器人事業(yè)的發(fā)展提供強大助力。 空間機構的研究,是有一些經(jīng)典理論支持的,比如螺旋理論。國內燕山大學黃真教授對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構學也是一本不錯的參考書,可以作為空間機構研究的切入點。有興趣的同學以后可以一起學習探討。,2020/9/20,35,,,Thank You!,