并联机构与并联机器人

2019/10/81并联机构与并联机器人——仿生机器人学课程专题报告姓名：@@班级：13级机硕1班学号：21113010032019/10/82内容安排：1、并联机构简介3、delta并联机器人详解4、关于并联机器人的思索2、并联机构应用实例3.1、delta机器人3.2、虚拟轴机床2019/10/831并联机构简介•并联机构的出现可以回溯至20世纪30年代。1931年，格威内特（Gwinnett）在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置。在之后的几十年内，新的并联机构不断被提出并应用于汽车喷涂、轮胎检测、飞行模拟器等工业领域。其中由Gough于1962年发明，并被Stewart系统研究的Gough-Stewart机构（或称Stewart机构）运用最广，至今仍然被广泛研究和使用。1931年Gwinnett的娱乐装置（5D电影）1965年Stewart机构2019/10/84•1985法国克拉维尔（Clavel）教授设计出delta并联机构(或称为delta机器人)2019/10/85按自由度分类•（1）2自由度并联机构。•（2）3自由度并联机构。•（3）4自由度并联机构。•（4）5自由度并联机构。•（5）6自由度并联机构。（如Stewart机构、双Delta嵌套机构）•其中2、3自由度并联机构中存在平面机构这一特殊情况，研究难度降低很多，较多地被人们研究和使用。•6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。2019/10/862019/10/872019/10/88•为了满足越来越复杂的工作需求，研究和使用多自由度（3~6）的空间机构显示出一定的必要性。•近年来,国内外机构型研究主要集中在多自由度多支链并联机器人构型问题上。并联机构的结构属于空间多环多自由度机构。并联机构的构型综合是一个极具挑战性的难题。到目前为止,国内外主要有四种并联机构的型综合研究方法,即基于螺旋理论的给定末端运动约束的型综合法、基于李代数的型综合法、基于给定末端运动的型综合法和列举型综合法。2019/10/89•并联机器人组成：一个固定基座、一个具有n自由度的末端执行器以及不少于两条独立的运动链。•并联机器人特点：（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间较小；2019/10/8102、并联机构应用实例•第一代delta（1985）•Delta机器人就像一个倒挂的有三个脚的蜘蛛，因其的灵巧、速度和精确在装配、自动化和医疗设备领域得到应用，被誉为“最成功的并联机器人设计”，并于1990年前后在世界各国申请专利。•2.1delta机器人2019/10/811•由于专利保护的限制，delta机器人早期并没有得到应有的推广，直到近年专利保护一一终止后，才开始被世界各地的制造商争相生产和开发。•在Delta原型基础上，研究人员做了很多衍生机型。2019/10/812FANUC六轴机器人•三轴铰接式手腕（专利产品）+delta机器人•优点：1、末端增加3个旋转自由度，可以适用更复杂工况•2、速度更快每秒2000度的速度拾取、旋转和放置物体•缺点：有效负载降低。第一代最大负载0.5kg，目前最大载荷可达6kg。2019/10/813瑞士工业公司，将转动副驱动改为移动付驱动2019/10/814工业应用2019/10/8152019/10/816视频：饼干抓取视频：试管分拣2019/10/817•虚拟轴机床又称并联机床（ParallelKinematicsMachineTools）,实质上是机器人技术和机床技术相结合的产物。•与传统机床比较：优点：比刚度高（弹性模量与其密度的比值，比刚度较高说明相同刚度下材料重量更轻）、响应速度快及运动精度高。缺点：运动空间小、空间可转角度（灵活性）小、开放性差。2.2虚拟轴机床简介(1990s)2019/10/818传统机床与虚拟轴机床外观差异2019/10/8192019/10/820视频：虚拟轴机床一视频：虚拟轴机床二2019/10/8213、delta并联机器人详解•3.1自由度计算•机构见图的化简有利于运动学的分析，但有文章在计算自由度的时候也直接按化简后的简图计算，个人认为欠妥。因为把平台化简为点的过程其实忽略了其姿态信息，而姿态的变化也属于自由度的范畴，因此个人倾向于用原机构简图分析2019/10/822•针对空间机构自由度计算公式，国内外研究人员做了大量研究也得出了大量的（至少35个）公式，其中大多都是适用条件限制或者若干“注意事项”（如需要甑别公共约束、虚约束、环数、链数、局部自由度等等）。•马娄谢夫（前苏联）空间机构计算式平面机构自由度计算公式：F=3n-2pl-ph式中n为活动杆件数（不算机架）pl为平面低副数（即只有一个自由度的运动副）ph为平面高副数Delta：3个主动臂P5,12个球铰P3W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3应注意机构中六根碳纤维杆保留6个绕自身轴线旋转的局部自由度2019/10/823•KutzbachGrubler公式计算获得2019/10/824•国内北华大学欧阳富等人发表了一系列文章，并于2003年提出一个可以替代此前34个计算公式的公式：•作者称此公式适用范围最宽且计算过程简单，但事实上公式中λ包含有5种多余自由度，甑别和计算过程并不简单。2019/10/8253.2保证动平台始终水平的机制•Clavel给出的简图中从动杆两端是用虎克铰（十字万向联轴节）联接的，很容易分析出同组杆共面，有由对边长度相等得出每组（如5a和5b两杆）从动杆参与构成平行四边形。于是，如图所示中的3组不同颜色轴线始终平行，进而保证了动平台平行于静平台。十字万向节注意：中间杆是为了增加末端执行器绕Z轴旋转的自由度，两端是通过十字万向节与电机轴、末端执行器连接，末端执行器与动平台通过轴承联接，故对动平台姿态保持无影响。2019/10/826•而实际生产中出于美观或其他工作条件的需求，常用球铰代替虎克铰（须补充添加约束），在分析动平台姿态时，有文章也笼统地指出delta机器人动平台保持水平是靠从动杆组成的平行四边形，但并没有详细分析对边相等的四杆机构如何在空间中保持共面，容易让人造成误解。2019/10/827球铰联接的空间四杆机构（初始状态）自由扭曲约束球铰端面平行后扭曲2019/10/828Delta初始状态运动中扭曲约束球铰端面平行后扭曲solidworks仿真时，仿真结构与真实机构差别只在从动杆之间的弹簧上，试验证明其作用不（只）在于保证球铰端面平行。那么这两个弹簧作用机理是如何呢？2019/10/8293.3运动学分析•并联机器人与串联机器人不同，后者正运动学简单而逆运动学求解复杂，通常都是求出正运动学方程后借助matlab等数学工具反求逆运动学解。而并联机器人往往是逆运动学求解简单而正运动学求解困难。位置逆解：已知末端位置求各主动臂摆角几何求法：以末端位置P点为圆心作球面S，主动臂L1在其工作范围内摆动时端点轨迹线与球面S相交于一点J1，此时L1的摆动角theta即为位置逆解。类似可以求得其他两个摆角2019/10/8303.4奇异性分析•奇异位形。奇异(或称为特殊)位形是闭环机构,尤其是并联机构研究中较复杂的问题,长期以来许多学者非常关注奇异位形的研究。奇异位形分为边界奇异、局部奇异和结构奇异三种形式。奇异形位是机构固有的性质,它对机构的工作性能有着严重的影响边界奇异位形。•边界奇异位形det(J)=0有外边界和内边界奇异位形•局部奇异位形det(J)→∞,表示机器人末端在该位形有一个不可控的局部自由度。局部奇异位形是并联机构特有的,它不存在于串联机构中。局部奇异位形是并联机构领域重点研究的问题之一。•结构奇异位形det（J）→0:0当速度雅可比矩阵的行列式趋于零比零时机器人处于结构奇异位形。结构奇异位形也是并联机构特有的特性,只有满足特殊机构尺寸时方能产生结构奇异位形。在仿真过程中出现了“扭曲”甚至“打结”到无法复原的状况，应该就是到了奇异位形Butwhy？That‘sinteresting！想要理解透彻，应该需要很多下功夫啊~~2019/10/831共同症状就是无法顺利的构建逆解分析球面。2019/10/8323.5工作空间•可达工作空间是机器人末端可达位置点的集合;灵巧工作空间是在满足给定位姿范围时机器人末端可达点的集合;全工作空间是给定所有位姿时机器人末端可达点的集合。可达工作空间（W）可利用圆弧相交的方法获得，其形状为一个似伞形的三维空间也可以用matlab实现2019/10/8334、关于并联机器人的思索•基于高精度、快速等固有优点，并联机器人从一出现就被广泛地应用于工业、医疗等行业。随着科技水平的提升和世界各国对机器人事业的推进，机器人已从工厂、实验室等特定场所逐渐走向寻常百姓家，而并联机器人也理应占据一席之地。•然而据统计，当前在役机器人中采用串联要远多于并联。并联机器人使用受限的原因很多，比如工作空间较小、负载能力有限等等。我认为，还有一个重要原因是因为并联机构（尤其是空间并联机构）的复杂性，人们对并联机构的研究还不够透彻，目前开发出的可用并联机构数量有限。目前被充分研究并被广泛应用的也只有于Stewart、Delta等少数几类。2019/10/834•从前面对delta系统分析的过程中我们已经对并联机构的复杂性有所了解，而这种复杂性正潜藏了一些未知的优越性，所以并联机构和并联机器人的开发必将对机器人事业的发展提供强大助力。•空间机构的研究，是有一些经典理论支持的，比如《螺旋理论》。国内燕山大学黄真教授对这方面做了大量研究并取得较大成果，其编著的《高等空间机构学》也是一本不错的参考书，可以作为空间机构研究的切入点。有兴趣的同学以后可以一起学习探讨。2019/10/835