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完整版)并联机器人发展现状与展望

时间:2022-08-19 03:20:48 作者:澳客app下载 来源:澳客彩票手机版

  并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、误差小、精 度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点,在 21 世纪将有广阔 的发展前景。本文根据掌握的大量并联机器人文献,对其分类和应用做了简要分 析和概括,并对其在运动学、动力学、机构性能分析等方面的主要研究成果、进 展以及尚未解决的问题进行了阐述。

  并联机构是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少 2 个独立的运 动链与机架相联接,必备的要素如下:①末端执行器必须具有运动自由度;②这种 末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;③每个分支或运动 链由惟一的移动副或转动副驱动。

  与传统的串联机构相比,并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少, 主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组 成。这些通用组件可由专门厂家生产,因而其制造和库存备件成本比相同功能的 传统机构低得多,容易组装和模块化。

  除了在结构上的优点,并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优 势。其主要优点如下:

  (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进给速度与加速度,适于高速数控作业。

  (3)运动精度高。这是与传统串联机构相比而言的,传统串联机构的加工误 差是各个关节的误差积累,而并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补, 因此,并联机构是未来机床的发展方向。

  (4)多功能灵活性强。可构成形式多样的布局和自由度组合,在动平台上安 装刀具进行多坐标铣、磨、钻、特种曲面加工等,也可安装夹具进行复杂的空间 装配,适应性强,是柔性化的理想机构。

  (5)使用寿命长。由于受力结构合理,运动部件磨损小,且没有导轨,不存 在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。

  并联机构作为一种新型机构,也有其自身的不足,由于结构的原因,它的运 动空间较小,而串并联机构则弥补了并联机构的不足,它既有质量轻,刚度大, 精度高的特点,又增大了机构的工作空间,因此具有很好的应用前景,尤其是少 自由度串并联机构,适应能力强,且易于控制,是当前应用研究中的一个新热点。

  从运动形式来看,并联机构可分为平面机构和空间机构;细分可分为平面移动机构、 平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构, 另可按并联机 构的自由度数分类:

  (1 )2 自由度并联机构。2 自由度并联机构,如 5-R、3-R-2-P(R 表示转动副,P 表示移动副)平面 5 杆机构是最典型的 2 自由度并联机构,这类机构一般具有 2 个移动运动。

  (2 )3 自由度并联机构。3 自由度并联机构各类较多,形式较复杂,一般有以下形式: 平面 3 自由度并联机构,如 3-RRR 机构、3-RPR 机构,它们具有 2 个移动和一个转动;球 面 3 自由度并联机构,如 3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S 球面机构,3-RRR 球面机构所有运 动副的轴线汇交空间一点,这点称为机构的中心,而 3-UPS-1-S 球面机构则以 S 的中心点 为机构的中心,机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动;3 维纯移动机构,如 Star Like 并联机构、Tsai 并联机构和 DELTA 机构,该类机构的运动学正反解都很简单,是一种应用 很广泛的 3 维移动空间机构;空间 3 自由度并联机构,如典型的 3-RPS 机构,这类机构属 于欠秩机构[1],在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点,由于这种特殊 的运动特性,阻碍了该类机构在实际中的广泛应用;还有一类是增加辅助杆件和运动副的空 间机构,如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的 3-UPS-1-PU 球坐标式 3 自由度并联机 构,由于辅助杆件和运动副的制约,使得该机构的运动平台具有 1 个移动和 2 个转动的运动 (也可以说是 3 个移动运动)。

  (3 )4 自由度并联机构。4 自由度并联机构大多不是完全并联机构,如 2-UPS-1-RRRR 机 构,运动平台通过 3 个支链与定平台相连,有 2 个运动链是相同的,各具有 1 个虎克铰 U , 1 个移动副 P ,其中 P 和 1 个 R 是驱动副,因此这种机构不是完全并联机构。

  (4 )5 自由度并联机构。现有的 5 自由度并联机构结构复杂,如韩国 Lee 的 5 自由度 并联机构具有双层结构(2 个并联机构的结合)。

  (5 )6 自由度并联机构。 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类,是国内外学者研究得最多的并联机构, 广泛应用在飞行模拟器、6 维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性 技术没有或没有完全得到解决,比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度 标定等。从完全并联的角度出发,这类机构必须具有 6 个运动链。但现有的并联机构中,也 有拥有 3 个运动链的 6 自由度并联机构,如 3-PRPS 和 3-URS 等机构,还有在 3 个分支的 每个分支上附加 1 个 5 杆机构作这驱动机构的 6 自由度并联机构等。

  并联机构由于其本身特点,一般多用在需要高刚度、高精度和高速度而无需很 大空间的场合。主要应用有以下几个方面: (1)模拟运动①飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器②工程模拟器,如船用摇 摆台等③检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性④娱乐运动模拟台。 (2)对接动作①宇宙飞船的空间对接②汽车装配线上的车轮安装③医院中的假 肢接骨。 (3)承载运动①大扭矩螺栓紧固②短距离重物搬运。 (4)金属切削加工 可应用于各类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机。 (5)可用于测量机,用来作为其它机构的误差补偿器。 (6)用于微动机构或微型机构 并联平台的应用领域正在被科研工作者不断拓 宽。 (7)并联机构还可用作机器人的关节,爬行机构,食品、医药包装和移载机械 手等。