并聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)器人

并聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)器人——仿生機(jī)器人學(xué)課程專題報(bào)告姓名：@@班級(jí)：13級(jí)機(jī)碩1班學(xué)號(hào)：21113010032023/12/291內(nèi)容安排：1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介3、delta并聯(lián)機(jī)器人詳解4、關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的思索2、并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例3.1、delta機(jī)器人3.2、虛擬軸機(jī)床2023/12/2921并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)可以回溯至20世紀(jì)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(jī)構(gòu)的娛樂裝置。在之后的幾十年內(nèi)，新的并聯(lián)機(jī)構(gòu)不斷被提出并應(yīng)用于汽車噴涂、輪胎檢測(cè)、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(jī)構(gòu)（或稱Stewart機(jī)構(gòu)）運(yùn)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(jī)構(gòu)2023/12/2931985法國(guó)克拉維爾（Clavel）教授設(shè)計(jì)出delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)(或稱為delta機(jī)器人)2023/12/294按自由度分類（1）2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（2）3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（3）4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（4）5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（5）6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（如Stewart機(jī)構(gòu)、雙Delta嵌套機(jī)構(gòu)）其中2、3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在平面機(jī)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自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機(jī)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(jī)床等領(lǐng)域。但這類機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)正解、動(dòng)力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機(jī)床的精度標(biāo)定等。2023/12/2952023/12/2962023/12/297為了滿足越來越復(fù)雜的工作需求，研究和使用多自由度（3~6）的空間機(jī)構(gòu)顯示出一定的必要性。近年來,國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)型研究主要集中在多自由度多支鏈并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型問題上。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)屬于空間多環(huán)多自由度機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。到目前為止,國(guó)內(nèi)外主要有四種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合研究方法,即基于螺旋理論的給定末端運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的型綜合法和列舉型綜合法。2023/12/298并聯(lián)機(jī)器人組成：一個(gè)固定基座、一個(gè)具有n自由度的末端執(zhí)行器以及不少于兩條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈。并聯(lián)機(jī)器人特點(diǎn)：（1）無累積誤差，精度較高；（2）驅(qū)動(dòng)裝置可置于定平臺(tái)上或接近定平臺(tái)的位置，這樣運(yùn)動(dòng)部分重量輕，速度高，動(dòng)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(duì)稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性；（5）工作空間較?。?023/12/2992、并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例第一代delta（1985）Delta機(jī)器人就像一個(gè)倒掛的有三個(gè)腳的蜘蛛，因其的靈巧、速度和精確在裝配、自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域得到應(yīng)用，被譽(yù)為“最成功的并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)”，并于1990年前后在世界各國(guó)申請(qǐng)專利。

2.1delta機(jī)器人2023/12/2910由于專利保護(hù)的限制，delta機(jī)器人早期并沒有得到應(yīng)有的推廣，直到近年專利保護(hù)一一終止后，才開始被世界各地的制造商爭(zhēng)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(jī)型。2023/12/2911FANUC六軸機(jī)器人三軸鉸接式手腕（專利產(chǎn)品）+delta機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)：1、末端增加3個(gè)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(diǎn)：有效負(fù)載降低。第一代最大負(fù)載0.5kg，目前最大載荷可達(dá)6kg。2023/12/2912瑞士工業(yè)公司，將轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)改為移動(dòng)付驅(qū)動(dòng)2023/12/2913工業(yè)應(yīng)用2023/12/29142023/12/2915視頻：餅干抓取視頻：試管分揀2023/12/2916虛擬軸機(jī)床又稱并聯(lián)機(jī)床（ParallelKinematicsMachineTools）,實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)和機(jī)床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)機(jī)床比較：優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)動(dòng)精度高。缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)空間小、空間可轉(zhuǎn)角度（靈活性）小、開放性差。2.2虛擬軸機(jī)床簡(jiǎn)介(1990s)2023/12/2917傳統(tǒng)機(jī)床與虛擬軸機(jī)床外觀差異2023/12/29182023/12/2919視頻：虛擬軸機(jī)床一視頻：虛擬軸機(jī)床二2023/12/29203、delta并聯(lián)機(jī)器人詳解3.1自由度計(jì)算機(jī)構(gòu)見圖的化簡(jiǎn)有利于運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，但有文章在計(jì)算自由度的時(shí)候也直接按化簡(jiǎn)后的簡(jiǎn)圖計(jì)算，個(gè)人認(rèn)為欠妥。因?yàn)榘哑脚_(tái)化簡(jiǎn)為點(diǎn)的過程其實(shí)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(gè)人傾向于用原機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析2023/12/2921針對(duì)空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量研究也得出了大量的（至少35個(gè)）公式，其中大多都是適用條件限制或者若干“注意事項(xiàng)”（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(jī)構(gòu)計(jì)算式平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：F=3n-2pl-ph式中n為活動(dòng)桿件數(shù)（不算機(jī)架）pl為平面低副數(shù)（即只有一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副）ph為平面高副數(shù)Delta：3個(gè)主動(dòng)臂P5,12個(gè)球鉸P3W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3應(yīng)注意機(jī)構(gòu)中六根碳纖維桿保留6個(gè)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的局部自由度2023/12/2922KutzbachGrubler公式計(jì)算獲得2023/12/2923國(guó)內(nèi)北華大學(xué)歐陽富等人發(fā)表了一系列文章，并于2003年提出一個(gè)可以替代此前34個(gè)計(jì)算公式的公式：作者稱此公式適用范圍最寬且計(jì)算過程簡(jiǎn)單，但事實(shí)上公式中λ包含有5種多余自由度，甑別和計(jì)算過程并不簡(jiǎn)單。2023/12/29243.2保證動(dòng)平臺(tái)始終水平的機(jī)制Clavel給出的簡(jiǎn)圖中從動(dòng)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(duì)邊長(zhǎng)度相等得出每組（如5a和5b兩桿）從動(dòng)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(jìn)而保證了動(dòng)平臺(tái)平行于靜平臺(tái)。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(jī)軸、末端執(zhí)行器連接，末端執(zhí)行器與動(dòng)平臺(tái)通過軸承聯(lián)接，故對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)保持無影響。2023/12/2925而實(shí)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(bǔ)充添加約束），在分析動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)時(shí)，有文章也籠統(tǒng)地指出delta機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)保持水平是靠從動(dòng)桿組成的平行四邊形，但并沒有詳細(xì)分析對(duì)邊相等的四桿機(jī)構(gòu)如何在空間中保持共面，容易讓人造成誤解。2023/12/2926球鉸聯(lián)接的空間四桿機(jī)構(gòu)（初始狀態(tài)）自由扭曲約束球鉸端面平行后扭曲2023/12/2927Delta初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)中扭曲約束球鉸端面平行后扭曲solidworks仿真時(shí)，仿真結(jié)構(gòu)與真實(shí)機(jī)構(gòu)差別只在從動(dòng)桿之間的彈簧上，試驗(yàn)證明其作用不（只）在于保證球鉸端面平行。那么這兩個(gè)彈簧作用機(jī)理是如何呢？2023/12/29283.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人不同，后者正運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)單而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解復(fù)雜，通常都是求出正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程后借助matlab等數(shù)學(xué)工具反求逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。而并聯(lián)機(jī)器人往往是逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)單而正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解困難。位置逆解：已知末端位置求各主動(dòng)臂擺角幾何求法：以末端位置P點(diǎn)為圓心作球面S，主動(dòng)臂L1在其工作范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)端點(diǎn)軌跡線與球面S相交于一點(diǎn)J1，此時(shí)L1的擺動(dòng)角theta

即為位置逆解。類似可以求得其他兩個(gè)擺角

2023/12/29293.4奇異性分析奇異位形。奇異(或稱為特殊)位形是閉環(huán)機(jī)構(gòu),尤其是并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究中較復(fù)雜的問題,長(zhǎng)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(jī)構(gòu)固有的性質(zhì),它對(duì)機(jī)構(gòu)的工作性能有著嚴(yán)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(jī)器人末端在該位形有一個(gè)不可控的局部自由度。局部奇異位形是并聯(lián)機(jī)構(gòu)特有的,它不存在于串聯(lián)機(jī)構(gòu)中。局部奇異位形是并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域重點(diǎn)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(shí)機(jī)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(jī)構(gòu)特有的特性,只有滿足特殊機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)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Butwhy？That‘sinteresting！想要理解透徹，應(yīng)該需要很多下功夫啊~~2023/12/2930共同癥狀就是無法順利的構(gòu)建逆解分析球面。2023/12/29313.5工作空間可達(dá)工作空間是機(jī)器人末端可達(dá)位置點(diǎn)的集合;靈巧工作空間是在滿足給定位姿范圍時(shí)機(jī)器人末端可達(dá)點(diǎn)的集合;全工作空間是給定所有位姿時(shí)機(jī)器人末端可達(dá)點(diǎn)的集合?？蛇_(dá)工作空間（W）可利用圓弧相交的方法獲得，其形狀為一個(gè)似傘形的三維空間也可以用matlab實(shí)現(xiàn)2023/12/29324、關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的思索基于高精度、快速等固有優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)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(guó)對(duì)機(jī)器人事業(yè)的推進(jìn)，機(jī)器人已從工廠、實(shí)驗(yàn)室等特定場(chǎng)所逐漸走向?qū)こ０傩占遥⒙?lián)機(jī)器人也理應(yīng)占據(jù)一席之地。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前在役機(jī)器人中采用串聯(lián)要遠(yuǎn)多于并聯(lián)。并聯(lián)機(jī)器人使用受限的原因很多，比如工作空間較小、負(fù)載能力有限等等。我認(rèn)為，還有一個(gè)重要原因是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)（尤其是空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)）的復(fù)雜性，人們對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究還不夠透徹，目前開發(fā)出的可用并聯(lián)機(jī)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。2023/12/2933從前面對(duì)delta系統(tǒng)分析的