并聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)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：21113010032023/7/241精品內(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2、并聯(lián)機構(gòu)應用實例3.1、delta機器人3.2、虛擬軸機床2023/7/242精品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)（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)2023/7/243精品1985法國克拉維爾（Clavel）教授設計出delta并聯(lián)機構(gòu)(或稱為delta機器人)2023/7/244精品按自由度分類（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)外學者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應用在飛行模擬器、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，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。2023/7/245精品2023/7/246精品2023/7/247精品為了滿足越來越復雜的工作需求，研究和使用多自由度（3~6）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)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。2023/7/248精品并聯(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）工作空間較小；2023/7/249精品2、并聯(lián)機構(gòu)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，因其的靈巧、速度和精確在裝配、自動化和醫(yī)療設備領(lǐng)域得到應用，被譽為“最成功的并聯(lián)機器人設計”，并于1990年前后在世界各國申請專利。

2.1delta機器人2023/7/2410精品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(chǎn)和開發(fā)。在Delta原型基礎上，研究人員做了很多衍生機型。2023/7/2411精品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：有效負載降低。第一代最大負載0.5kg，目前最大載荷可達6kg。2023/7/2412精品瑞士工業(yè)公司，將轉(zhuǎn)動副驅(qū)動改為移動付驅(qū)動2023/7/2413精品工業(yè)應用2023/7/2414精品2023/7/2415精品視頻：餅干抓取視頻：試管分揀2023/7/2416精品虛擬軸機床又稱并聯(lián)機床（ParallelKinematicsMachineTools）,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、開放性差。2.2虛擬軸機床簡介(1990s)2023/7/2417精品傳統(tǒng)機床與虛擬軸機床外觀差異2023/7/2418精品2023/7/2419精品視頻：虛擬軸機床一視頻：虛擬軸機床二2023/7/2420精品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2023/7/2421精品針對空間機構(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P3W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3應注意機構(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2023/7/2422精品KutzbachGrubler公式計算獲得2023/7/2423精品國內(nèi)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：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λ包含有5種多余自由度，甑別和計算過程并不簡單。2023/7/2424精品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)行器與動平臺通過軸承聯(lián)接，故對動平臺姿態(tài)保持無影響。2023/7/2425精品而實際生產(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。2023/7/2426精品球鉸聯(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2023/7/2427精品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？2023/7/2428精品3.3運動學分析并聯(lián)機器人與串聯(lián)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(shù)學工具反求逆運動學解。而并聯(lián)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(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

2023/7/2429精品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(gòu),尤其是并聯(lián)機構(gòu)研究中較復雜的問題,長期以來許多學者非常關(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)”到無法復原的狀況，應該就是到了奇異位形Butwhy？That‘sinteresting！想要理解透徹，應該需要很多下功夫啊~~2023/7/2430精品共同癥狀就是無法順利的構(gòu)建逆解分析球面。2023/7/2431精品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)2023/7/2432精品4、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)機器人也理應占據(jù)一席之地。然而據(jù)統(tǒng)計，當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用的也只有于Stewart、Delta等少數(shù)幾類。2023/7/2433精品從前面對delta系統(tǒng)分析的過