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2020 3 23 1 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 2111301003 2020 3 23 2 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 2020 3 23 3 1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 23 4 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 23 5 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 23 6 空间并联机构的复杂性示例 1dof 0dof 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 23 7 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 23 8 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 23 9 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 23 10 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 23 11 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 23 12 多数文章使用的公式 2 2自由度分析 2020 3 23 13 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 23 14 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 23 15 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 23 16 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 23 17 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 23 18 2020 3 23 19 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 23 20 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 23 21 FANUC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 23 22 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 23 23 题外话 2020 3 23 24 活动 DIY Kossel800开源3D打印机套件详询 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 23 25 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 23 26 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