韓光 李智 劉艷敏
[摘 要] 串聯(lián)機器人以工作空間較大、操作靈活等特點得到了廣泛應(yīng)用,而并聯(lián)機器人以剛度高、速度快、易控制等一系列優(yōu)點,與串聯(lián)機器人一同組成工業(yè)機器人的核心成分。通過對并聯(lián)機器人進行運動學分析與并聯(lián)機器人動力學分析等闡述了并聯(lián)機器人的分析并聯(lián)機器人研究的主要難點和發(fā)展趨勢。
[關(guān) 鍵 詞] 串聯(lián)機器人;并聯(lián)機器人;運動學分析;動力學分析
[中圖分類號] TP242 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603(2017)35-0200-01
一、并聯(lián)機構(gòu)的發(fā)展
1931年4月,一種以球形表面的并聯(lián)式機構(gòu)的娛樂設(shè)備由Gwinnett先生最早提出,并申請專利成功。1962年,聯(lián)機構(gòu)中的6自由度設(shè)備由高夫發(fā)明,用于輪胎檢測。1965年6月,高夫發(fā)明的一種裝置由Stewart進行了機構(gòu)學原理上的總結(jié),將這種設(shè)備用于飛行模擬器,這種設(shè)備也是到目前為止應(yīng)用最廣的并聯(lián)機構(gòu)之一,它被稱為Gough-Stewart機構(gòu)。1978年7月,亨特采用并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)機器人手臂的研究,應(yīng)用6自由度的Stewart平臺機構(gòu)作為機器人機構(gòu)。在20世紀80年代中后期,各國研究并聯(lián)機器人的人很稀少,只有McDowWell、Earl、Stewart、Fichter、Duffy、Tesa等人,研究的成績也相對較稀少。20世紀80年代末期以及90年代的初期,并聯(lián)機器人真正的研究才開始得到了各國廣泛的關(guān)注。中國對并聯(lián)機器人的研究起步相對較遲,但在近幾年里機器人技術(shù)飛速的發(fā)展,中國生產(chǎn)并聯(lián)機器人的水平也日益提高。特別是進入到21世紀以后,并聯(lián)機器人的理論和實驗研究逐漸成熟,被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
二、并聯(lián)機器人運動學分析
當在機構(gòu)主動件的位置已知時,求解的正解是根據(jù)所需的方位關(guān)系所得的;當輸出件的位置和姿態(tài)已知時,求解的機構(gòu)輸入件的位置稱為機構(gòu)位置的反解。在應(yīng)用串聯(lián)機器人的位置姿態(tài)分析中,反解是比較艱難的;但在并聯(lián)的機器人位置的分析中,相對簡單的是反解,我們認為這是并聯(lián)機器人機構(gòu)的分析特點。移動副作的相對移動是由驅(qū)動器推動的。若上平臺在空間的位置和姿態(tài)給定時,要求得各個桿的長度,這也就是此機構(gòu)位置的反解了。
當需要求位置正解時,相對有效的方式是使用數(shù)值方法來求解一組非線性方程組,來求得與輸入位移對應(yīng)的動平臺的位置和姿態(tài)。現(xiàn)在我們采用一些數(shù)值方法對并聯(lián)機器人運動求解,如拉格朗日法、牛頓迭代法、旋量和影響系數(shù)法等?;赨G建立三維模型,采用ADAMS測量參數(shù)的時間位移曲線,采用后處理模塊得到正逆解關(guān)系,使數(shù)學計算減省。
三、并聯(lián)機器人動力學分析
并聯(lián)機器人的動力分析方法有拉格朗日法、牛頓—歐拉法、虛功原理法、凱恩方程法等其他方法。
拉格朗日法應(yīng)用簡單,運動方程所呈現(xiàn)為閉環(huán)的狀態(tài),不過運算效率低,而且計算效果差,用于Stewart的有一般結(jié)構(gòu)和慣量分布的并聯(lián)機器人,Mruthyunjaya與Dasgupta進行了相應(yīng)公式的推導(dǎo)與證明,并利用Newton-Euler方法構(gòu)架了一個較好的運算方法,在并聯(lián)機器人的動力學計算中得到了廣泛應(yīng)用。秦皇島市燕山大學的黃真老師利用虛設(shè)機構(gòu),提出虛等效力矩和分等效力矩的概念。蔡鶴皋先生等使用Lagrange方法構(gòu)架并聯(lián)機構(gòu)的剛體動力學方程,應(yīng)用虛功原理最后得到了力學上的動力學模型。李永泉老師等利用旋量鍵空間建立球形面2-DOF過約束,構(gòu)架系統(tǒng)動力學模型可并存并聯(lián)機器人機構(gòu)的兩種能量,所構(gòu)架的動力學意義上的模型要有36個方程,但由于被動過約束和主動的空間過約束的存在,共有43個未知量需要求解。
四、并聯(lián)機器人難點與展望
由于PC技術(shù)和自動化技術(shù)的迅猛前行,加強了現(xiàn)代學科對位置正解研究,使求得位置正解相對簡單。
并聯(lián)機器人將是時代發(fā)展的新方向,各個領(lǐng)域的發(fā)展都與之息息相關(guān),所以對其進行大力發(fā)展是有重要的價值的。這類全新結(jié)構(gòu)的機器人以并聯(lián)機器人為代表。在經(jīng)歷了幾十年發(fā)展后,并聯(lián)機器人的理論日漸成熟,但還無法全部投入到生產(chǎn)實踐中。但隨著“智能制造2025”的發(fā)展步伐,產(chǎn)業(yè)化將越來越完善。自動化與智能化的結(jié)合定將推動并聯(lián)機器人的發(fā)展與前進。相信在不久的將來并聯(lián)機構(gòu)的機器人一定可以更快地投入市場。
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