delta并联机器人

2020/3/51并联机器人——仿生机器人学课程专题报告姓名：吴@@班级：13级机硕1班学号：21113010032020/3/52内容安排：1、并联机构与并联机器人简介2、delta并联机构分析4、关于delta并联机器人的思考3、delta并联机器人综合应用3.1、分拣作业：delta机器人+视觉3.2、delta机器人其他应用形式2020/3/531并联机构与并联机器人•机器人技术的发展和应用极大地改变了人们的生产生活方式，不仅能帮助人们完成单调重复的工作，而且能在危险恶劣的环境下完成复杂的操作。然而，随着工作要求的不断提高，传统的串联机器人往往存在运动惯量大、刚度低、误差累积等缺点。并联机器人的出现则刚好弥补了这些不足。2020/3/54•并联机器人组成：固定基座*1、末端执行器*1、独立运动链*n（n=2）。•机器人=机构+驱控系统+其他附件•仅分析结构特性时：•与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数量少（主要有滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等），因而其制造和库存备件成本相对要低，容易组装和模块化。1.1并联机构组成并联机构并联机器人2020/3/55•优点：•（1）刚度质量比大。因采用并联闭环杆系,杆系理论上只承受拉、压载荷,是典型的二力杆,并且多杆受力，使得传动机构具有很高的承载强度。•（2）动态性能优越。运动部件质量轻，惯性低,可有效改善伺服控制器的动态性能,使动平台获得很高的速度与加速度,适于高速作业。•（3）运动精度高。并联机构不仅没有串联机构中存在的误差累积，而且各条运动链的误差在末端可以有一个相互抵消的平均化效果。•（4）结构紧凑灵活性强。通过运动耦合，可以实现末端复杂的运动轨迹，尤其当应用于机床行业时，容易实现多轴联动，加工复杂曲面。•（5）使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小。•缺点：•（1）工作空间较小；•（2）开发难度大（结构复杂，运动耦合复杂，奇异位形多)。1.2并联机构特点2020/3/56空间并联机构的复杂性示例1dof0dof平面五杆机构（双链并联机构)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2020/3/57•1931年，格威内特（Gwinnett）基于球面并联机构的娱乐装置。•1938年，Pollard发明并联机构用于汽车喷涂。•1948年，Gough发明并联机构用于轮胎检测。•……•1965年Stewart在他的一篇文章提出了一种6自由度的并联机构，即著名的Stewart机构。（后来被应用到机床、海上矿井平台、飞行模拟等多领域）1931年Gwinnett的娱乐装置（5D电影）1965年Stewart机构1.3并联机构发展简史2020/3/58•1979年，Mccallino等人首次设计出了在小型计算机控制下，在精密装配中完成校准任务的并联机器人，从而真正拉开了并联机器人研究的序幕。•1985年，法国克拉维尔（Clavel）教授设计出delta并联机构，经过不断修改完善，成功应用于医疗、工业，实现商业化。于1990年前后在各国申请专利。•在此之后，并联机器人逐渐成为研究热点，越来越多的并联机构被提出，但真正能应用于生产实际的并不多。•delta被称为“最成功的并联机器人设计”，由于专利保护，限制了其推广。专利到期后各企业争相生产，成为热门机型。delta并联机构2020/3/59构件：静平台，动平台，均布的3根主动臂，3组从动臂（每组包括2根平行杆）。联接件：3个转动副，12个虎克饺（十字万向节）2、delta并联机构分析十字万向节2.1结构组成2020/3/510•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。两端各增加一个拉紧弹簧，有助于保持同组从动杆平行，但也有些样机没有增加弹簧组件。2020/3/511•合理的简化有助于对机构的分析，多篇文献中对delta机器人进行了如上图所示的简化。比如进行自由度分析时，采用机构简图a），进行运动分析时采用更加精简的图b)。•（a→b的解释：平台姿态不变→其上各点运动形式一致→在保持末端运动轨迹一致的前提下，可将3条运动链向平台中心位置平移）机构简图：2020/3/512•多数文章使用的公式：2.2自由度分析关于自由度计算公式的探索，可以参考科学出版社出版的《论机构自由度——寻找了150年的自由度通用公式》2020/3/513•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，又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。注意：中间杆14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。2.3保证动平台始终水平的机制2020/3/514•与串联机器人相反，delta机器人逆解比正解的求取简单。也可以像串联机器人一样建立DH坐标系，但逆解球分析法会简单得多。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2.4运动学分析2020/3/515•奇异位形：实质上是指在机构达到该位形的瞬时自由度改变（增加或减少）•奇异(或称为特殊)位形是机构固有的性质，是闭环机构,尤其是并联机构研究中较复杂的问题。可分为边界奇异、局部奇异和结构奇异三种形式。•delta机器人奇异位形也也比较复杂，不过可以通过限制主动臂运动范围来避免奇异。关于奇异概念的深入解析可以参考《高等空间机构学》第九章或其他关于并联机构的资料2.5奇异性分析2020/3/516•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。下图中伞形空间为可达空间，圆柱空间为其灵巧工作空间。2.6工作空间2020/3/517•Apollo并联机器人在运动过程中可以实现快速加减速，最快抓取速度可达2~4次/秒。配备视觉定位识别系统，精度可达±0.1mm。•Apollo并联机器人具有重量轻、体积小、运动速度快、定位精确、成本低、效率高等特点，加之配置视觉后能够智能识别、检测物体等特点，主要应用于食品、药品和电子产品等快速分拣、抓取、装配等领域。3、delta并联机器人综合应用3.1分拣作业视频：试管分拣视频：双delta机器人协作2020/3/5182020/3/519•显微外科手术，定位精度高，避免人工操作时的颤抖（为确保安全，应采用力/力矩控制模式，或至少加装力/力矩传感器）3.2其他应用德国洪堡大学手术机器人据了解，更精密的机器人正被开发应用于生物医学中，进行染色体切割等高难度微细操作。手术：2020/3/520•整列情景：零件杂乱摆放，空间姿态各异，需要排列整齐，末端4自由度不足以完成任务•装配情景：要求一次装夹完成多个面的装配，同时，可能有细长孔插装任务。因此，必须对原delta机器人加以改进。整列、装配：双delta嵌套设计2020/3/521FANUC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。2020/3/522•delta并联机器人的高精度、高速的性能在3d打印行业也得到的充分展现3D打印：打印“小蛮腰”打印“莱茵瓶”2020/3/523题外话2020/3/524•活动：【DIY】Kossel800开源3D打印机套件•详询：=Index_index只要￥1049驱动在底下，同步带传动；磁力球铰、无弹簧样机试验成功、7月1日筹款结束，2020/3/525•Q1：delta机器人实际用球铰（3DOF）代替虎克铰（2DOF）之后，无需添加其他约束，末端自由度不变？（动平台仿真时会倾斜，但有样机如此做而不倾斜）•Q2：使用球铰时，空间四杆机构是如何维持平行四边形的？是靠弹簧拉紧作用？还是空间机构耦合的结果？•Q3：在进行自由度计算时，前人的做法均是对机构简图进行分析，这种做法是否够严谨？能否直接按原型分析计算？4、关于并联机器人的思索关于delta机器人空间四杆扭曲2020/3/526•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/串并混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，比如发展历史短，工作空间较小、运动耦合复杂，结构分析困难等。然而这种困难的背后往往潜藏着优越性，我们只有攻克各个难题之后才能发现。在座的各位将来都是高技术人才，我们要有信心、有决心迎接这些挑战。关于并联机器人2020/3/527