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1、2020/9/20,1,并聯機構與并聯機器人,仿生機器人學課程專題報告,姓名： 班級：13級機碩1班 學號：2111301003,2020/9/20,2,內容安排：,1、并聯機構簡介,3、delta并聯機器人詳解,4、 關于并聯機器人的思索,2020/9/20,3,1 并聯機構簡介,并聯機構的出現可以回溯至20世紀30年代。1931年，格威內特（Gwinnett）在其專利中提出了一種基于球面并聯機構的娛樂裝置。在之后的幾十年內，新的并聯機構不斷被提出并應用于汽車噴涂、輪胎檢測、飛行模擬器等工業(yè)領域。其中由Gough于1962年發(fā)明，并被Stewart系統(tǒng)研究的Gough-Stewart機構（或
2、稱Stewart機構）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,2020/9/20,4,1985法國克拉維爾（Clavel）教授設計出delta并聯機構(或稱為delta機器人),2020/9/20,5,按自由度分類,（1 ）2 自由度并聯機構。 （2 ）3 自由度并聯機構。 （3 ）4 自由度并聯機構。 （4 ）5 自由度并聯機構。 （5 ）6 自由度并聯機構。（如Stewart機構、雙Delta嵌套機構） 其中2、3自由度并聯機構中存在平面機構這一特殊情況，研究難度降低很多，較多地被人們研究和使用。 6 自由度并
3、聯機構是并聯機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的并聯機構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯機床的精度標定等。,2020/9/20,6,2020/9/20,7,2020/9/20,8,為了滿足越來越復雜的工作需求，研究和使用多自由度（36）的空間機構顯示出一定的必要性。 近年來, 國內外機構型研究主要集中在多自由度多支鏈并聯機器人構型問題上。并聯機構的結構屬于空間多環(huán)多自由度機構。并聯機構的構型綜合是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。到目前為止, 國內外主要有四種并聯機構的型綜合研
4、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。 并聯機器人特點： （1）無累積誤差，精度較高； （2）驅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)響應好； （3）結構緊湊，剛度高，承載能力大； （4）完全對稱的并聯機構具有較好的各向同性； （5）工作空間較?。?2020/9/20,10,2、并聯機構應用實例,第一代delta（1985） Delta機器人就像一個倒掛的有三個腳的蜘蛛，
5、因其的靈巧、速度和精確在裝配、自動化和醫(yī)療設備領域得到應用，被譽為“最成功的并聯機器人設計”，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和開發(fā)。 在Delta原型基礎上，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（專利產品）+delta機器人 優(yōu)點：1、末端增加3個旋轉自由度，可以適用更復雜工況 2、速度更快每秒2000度的速度拾取、旋轉和放置物體 缺點：有效負載降低。第一代最
6、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，將轉動副 驅動改為移動付驅動,2020/9/20,14,工業(yè)應用,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機床（Parallel Kinematics Machine Tools ）,實質上是機器人技術和機床技術相結合的產物 。 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）、響應速度快及運動精度高。 缺點：運動空間小、空間可轉角度（靈活性）小、開放性差。,2.2 虛擬軸機床
7、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并聯機器人詳解,3.1 自由度計算 機構見圖的化簡有利于運動學的分析，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簡圖分析,2020/9/20,22,針對空間機構自由度計算公式，國內外研究人員做了大量研究也得出了大量的（至少35個）公式，其中大多都是適用條件限制或者若干
8、“注意事項”（如需要甑別公共約束、虛約束、環(huán)數、鏈數、局部自由度等等）。 馬婁謝夫（前蘇聯）空間機構計算式,平面機構自由度計算公式： F=3n-2pl-ph 式中 n為活動桿件數（不算機架） pl為平面低副數（即只有一個自由度的運動副） ph為平面高副數,Delta：3個主動臂P5,12個球鉸P3 W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3 應注意機構中六根碳纖維桿保留6個繞自身軸線旋轉的局部自由度,2020/9/20,23,Kutzbach Grubler公式計算獲得,2020/9/20,24,國內北華大學歐陽富等人發(fā)表了一系列文章，并于2003年提出一個可以替代此前34個計算公式的公式：
9、 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（十字萬向聯軸節(jié)）聯接的，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 通過軸承聯接，故對動平臺姿態(tài)保持無影響。,2020/9/20,2
10、6,而實際生產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,球鉸聯接的空間四桿機構 （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，仿真結構與真實機構差別只在 從動桿之間的彈簧上，試驗證明其作用不（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
11、/9/20,29,3.3 運動學分析,并聯機器人與串聯機器人不同，后者正運動學簡單而逆運動學求解復雜，通常都是求出正運動學方程后借助matlab等數學工具反求逆運動學解。而并聯機器人往往是逆運動學求解簡單而正運動學求解困難。,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)位形是閉環(huán)機構, 尤其是并聯機構研究中較復雜的問題, 長期以來許多學者非常關注奇異位形
12、的研究。奇異位形分為邊界奇異、局部奇異和結構奇異三種形式。奇異形位是機構固有的性質, 它對機構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機構特有的, 它不存在于串聯機構中。局部奇異位形是并聯機構領域重點研究的問題之一。 結構奇異位形 det（J）0:0當速度雅可比矩陣的行列式趨于零比零時機器人處于結構奇異位形。結構奇異位形也是并聯機構特有的特性, 只有滿足特殊機構尺寸時方能產生結構奇異位形。,在仿真過程中出現了“扭曲”甚至“打結”到 無法復原的狀
13、況，應該就是到了奇異位形 But why？Thats interesting！ 想要理解透徹，應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。可達工作空間（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,2020/9/20,33,4、關于并聯機器人的思索,基于高精度、快速等固有優(yōu)點，并聯機器人從一出現就被廣泛地應用于工業(yè)
14、、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尋常百姓家，而并聯機器人也理應占據一席之地。 然而據統(tǒng)計，當前在役機器人中采用串聯要遠多于并聯。并聯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機構（尤其是空間并聯機構）的復雜性，人們對并聯機構的研究還不夠透徹，目前開發(fā)出的可用并聯機構數量有限。目前被充分研究并被廣泛應用的也只有于Stewart、Delta等少數幾類。,2020/9/20,34,從前面對delta系統(tǒng)分析的過程中我們已經對并聯機構的復雜性有所了解，而這種復雜性正潛藏了一些未知的優(yōu)越性，所以并聯機構和并聯機器人的開發(fā)必將對機器人事業(yè)的發(fā)展提供強大助力。 空間機構的研究，是有一些經典理論支持的，比如螺旋理論。國內燕山大學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學也是一本不錯的參考書，可以作為空間機構研究的切入點。有興趣的同學以后可以一起學習探討。,2020/9/20,35,Thank You！,
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