12-6台体型并联机器人的运动特性研究文献综述

 2022-07-24 09:07

研究综述

(12-6台体型并联机器人的运动特性研究)

随着社会的发展,人类对科学技术提出了更高的要求,尤其是以并联机器人技术为主的先进科技更是扮演者举足轻重的角色。生活中处处充满了并联机器人技术的应用,而人类对于并联机器人技术研究的脚步却从未停止过。关于并联机器人的探索早在19世纪末就开始了。1895年,数学家Cauchy研究一种“用关节连接的八面体”,开始人类历史上并联机器的研究。1938年Pollard提出采用并联机构来给汽车喷漆。1949年Caough提出用一种并联机构的机器检测轮胎,这是真正得到运用的并联机构。而并联结构的提出和应用研究则开始于70年代。1965年,德国人Stewart发明了六自由度并联机构,并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚人Hunttichu把六自由度的Stewart平台机构作为机器人机构,自此,并联机器人技术得到了广泛推广。并联机构的出现,扩大了机器人的应用范围。随着并联机器人研究的不断深入,其应用领域也越来越广阔。如运动模拟器、并联机床、工业机器人、微动机构、医用机器人和操作器。可用于汽车总装线上安装车轮,可用于飞船对接器的对接结构,可用于困难的地下工程,可作为6自由度数控加工中心等等。自工业机器人问世以来,采用串联机构的机器人占主导位置。串联机器人具有结构简单、操作空间大,因而获得广泛应用。由于串联机器人自身的限制,研究人员逐渐把研究方向转向并联机器人。和串联机器人相比,并联结构其末端件上同时由6根杆支撑,与串联的悬臂梁相比刚度大,结构稳定。由于刚度大,并联结构较串联结构在相同的自重或体积下,有高的多的承载能力大。串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大,因而误差大、精度低,并联式则没有那样的误差积累和放大关系,微动精度高。串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上,增加了系统的惯量,恶化了动力性能,而并联机器人将电机置于机座上,减小了运动负荷。在位置求解上,串联机构正解容易反解难;而并联机器人相反,机器人在线实时计算是要计算反解的。由于并联机器人能够解决串联机器人应用中存在的问题,因而,并联机器人扩大了整个机器人的应用领域。与串联机器人相比,并联机器人具有一系列的优点,但也有许多不足之处,例如,工作空间相对较小,运动速度较慢等。由并联机器人研究发展起来的空间多自由度多环并联机构学理论,对机器人协调、多指多关节高灵活手抓等构成的并联多环机构学问题,都具有十分重要的指导意义。因此,并联机构已经成为机构学研究领域的热点之一。

并联机器人机构的分类有很多种,根据并联机器人的自由度数,可以分为:2自由度并联机构。2自由度并联机构,如5-R,3-R-2-P(R表示旋转,P表示平移)。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个平移自由;3自由度并联机,3自由度并联机构种类较多,形式复杂,一般有以下形式,平面3自由度并联机构,如3-RRP机构、3-RPR机构、它们具有2个旋转自由度和1个平移自由度;3维纯平移机构,如Star Like并联机构、Tsai并联机构,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维平移空间机构;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,在工作空间不同的点,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的广泛应用;4自由度并联机构。4自由度并联机构大多不是完全的并联机构,如2-UPS-1-RRRR机构,运动平台通过3个支链与顶平台相连,有2个运动链是相同的,各具有一个虎克铰U,1个平移副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。5自由度并联机构。现有的5自由度并联机构结构复杂,如韩国的Lee的5自由度并联机构具有双层结构。6自由度并联机构。该类并联机器人是国内外学者研究的最多的并联机构,一般情况下,该类机构具有6个运动链。随着6自由度并联机构研 究的深入,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-UPS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。根据其他不同的特性还有许多分类。

并联机器人的研究方向也是五花八门的,如关于并联机器人的位置分析研究,并联机器人的工作空间分析研究,并联机器人的运动学分析研究,奇异形位的研究,灵活度分析研究等等。目前,国内外关于并联机器人的研究主要集中于运动学、动力学和控制策略三大方向。

国内的燕山大学,哈尔滨工业大学等学府对并联机器人的研究的人才也是层出不穷。我国科研人员也对并联机器人的控制理论与策略方法进行了大量研究。王洪瑞等将离散变结构理论应用于并联机器人的轨迹控制,引进了离散趋近律的概念,给出了实用的离散变结构控制算法。孔令富等基于6一DOF液压并联机器人的液压主动关节控制模型,通过分析机器人动力学方程,提出一种简单有效的力补偿控制方法等等。

(1)并联机器人的位置分析就是求解机器人的输入构件与输出构件之间的位置关系,是机构f运动分析的基本内容。位置分析的内容可分为两个子问题:位置正解问题和位置逆解问题,从目前的研究来看,关于正向运动学的解法主要分为两大类:数值法和解析法。而这两种研究方法而言,解析法相对于数值法的通用性和普遍适用性来说具有一定的局限性,解析法是通过消元的方式获得一个仅含有一个未知数的高次方程,最终获得机构所有可能正解,而对于并联机构来说,并非所有机构都能获得其解析形式的位置正解,仅仅对于一些具有特殊结构形式或者退化的结构形式机构才有可能获得其位置正解的解析解。

(2)并联机器人的工作空间分析是设计并联机器人末端执行器的首要环节机器人的工作空间是机器人末端执行器的工作区域,它是衡量机器人性能的重要指标,根据末端执行器工作时的位置特点,工作空间可分为灵活工作空间和可达工作空间。并联机器人在工作空间的求解是非常复杂的,在很大程度上依赖于机构位置逆解的研究结果,其求解方法主要有几何法和代数法。

(3)并联机器人的动力学分析是并联机器人研究的一个重要分支,是研究物体运动和作用力之间的关系。与机器人运动学相类似,动力学也有正反两个方面的问题,目前关于并联机器人的常用的动力学建模方法有:牛顿欧拉方法,凯恩方法,虚功方法,拉格朗日方法。牛顿欧拉方法针对并联机器人中每个构件进行分析,即首先将并联机器人的每个构件从系统中分离出来再对每个构件用公式根据力和力矩的平衡原理,列出每个构件的运动同其力或力矩的关系方程,再一一解出。

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