并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機器人.ppt

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1、2020/9/20,1,并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機器人,仿生機器人學(xué)課程專題報告,姓名： 班級：13級機碩1班 學(xué)號：2111301003,2020/9/20,2,內(nèi)容安排：,,1、并聯(lián)機構(gòu)簡介,3、delta并聯(lián)機器人詳解,4、 關(guān)于并聯(lián)機器人的思索,2020/9/20,3,1 并聯(lián)機構(gòu)簡介,并聯(lián)機構(gòu)的出現(xiàn)可以回溯至20世紀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)機構(gòu)的娛樂裝置。在之后的幾十年內(nèi)，新的并聯(lián)機構(gòu)不斷被提出并應(yīng)用于汽車噴涂、輪胎檢測、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機構(gòu)（

2、或稱Stewart機構(gòu)）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(gòu),2020/9/20,4,,1985法國克拉維爾（Clavel）教授設(shè)計出delta并聯(lián)機構(gòu)(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(gòu)。 （2 ）3 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 （3 ）4 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 （4 ）5 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 （5 ）6 自由度并聯(lián)機構(gòu)。（如Stewart機構(gòu)、雙Delta嵌套機構(gòu)） 其中2、3自由度并聯(lián)機構(gòu)中存在平面機構(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

3、度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(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)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學(xué)正解、動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標(biāo)定等。,2020/9/20,6,,,2020/9/20,7,,,2020/9/20,8,,為了滿足越來越復(fù)雜的工作需求，研究和使用多自由度（36）的空間機構(gòu)顯示出一定的必要性。 近年來, 國內(nèi)外機構(gòu)型研究主要集中在多自由度多支鏈并聯(lián)機器人構(gòu)型問題上。并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)屬于空間多環(huán)多自由度機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型綜合是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。到目前為止, 國內(nèi)外主要有四種并聯(lián)

4、機構(gòu)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(qū)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(yīng)好； （3）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大； （4）完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)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(gòu)應(yīng)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(shè)備領(lǐng)域得到應(yīng)用，被譽為“最成功的并聯(lián)機器人設(shè)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(yīng)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(chǔ)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(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

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(zhuǎn)動副 驅(qū)動改為移動付驅(qū)動,2020/9/20,14,工業(yè)應(yīng)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(zhì)上是機器人技術(shù)和機床技術(shù)相結(jié)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(yīng)速度快及運動精度高。 缺點：運動空間小、空間可轉(zhuǎn)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(gòu)見圖的化簡有利于運動學(xué)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(gòu)簡圖分析,2020/9/20,22,,針對空間機構(gòu)自由度計算公式，國內(nèi)外研究人員做了大量研究也得出了大量的（至

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(gòu)計算式,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),Delta：3個主動臂P5,12個球鉸P3 W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3 應(yīng)注意機構(gòu)中六根碳纖維桿保留6個繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的局部自由度,2020/9/20,23,,Kutzbach Grubler公式計算獲得,2020/9/20,24,,國內(nèi)北華大學(xué)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(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。,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(gòu)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(gòu) （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(jié)構(gòu)與真實機構(gòu)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(xué)分析,并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人不同，后者正運動學(xué)簡單而逆運動學(xué)求解復(fù)雜，通常都是求出正運動學(xué)方程后借助matlab等數(shù)學(xué)工具反求逆運動學(xué)解。而并聯(lián)機器人往往是逆運動學(xué)求解簡單而正運動學(xué)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(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,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(gòu), 尤其是并聯(lián)機構(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。奇異形位是機構(gòu)固有的性質(zhì), 它對機構(gòu)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(nèi)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(gòu)特有的, 它不存在于串聯(lián)機構(gòu)中。局部奇異位形是并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域重點研究的問題之一。 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機器人處于結(jié)構(gòu)奇異位形。結(jié)構(gòu)奇異位形也是并聯(lián)機構(gòu)特有的特性, 只有滿足特殊機

13、構(gòu)尺寸時方能產(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 But why？Thats interesting！ 想要理解透徹，應(yīng)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(gòu)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(guān)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(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)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(gòu)（尤其是空間并聯(lián)機構(gòu)）的復(fù)雜性，人們對并聯(lián)機構(gòu)的研究還不夠透徹，目前開發(fā)出的可用并聯(lián)機構(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。,2020/9/20,34,,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(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)機構(gòu)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(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(gòu)學(xué)也是一本不錯的參考書，可以作為空間機構(gòu)研究的切入點。有興趣的同學(xué)以后可以一起學(xué)習(xí)探討。,2020/9/20,35,,,Thank You！,