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并联机器人的应用理论、分类及特点

并联机器人,英文名为Parallel Mechanism,简称PM,可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。

高速并联机器人的研究最早追溯到 Clavel 博士于 1985 年发明的 Delta 机械手。该机器人主动臂由外转动副驱动,从动臂为平行四边形结构,末端执行器可在工作空间内实现 3 维高速平动。

并联机器人的应用理论、分类及特点

图片来源:OFweek维科网

研究理论:螺旋理论

螺旋理论是空间机构学研究中一种非常重要的数学工具,尤其是近20年来在少自由度并联机器人机构构型综合方面发挥了至关重要的作用。

燕山大学的黄真教授是我国研究与应用螺旋理论最早的学者,在他的专著中详细系统地介绍了螺旋理论及其在机构学中的应用,从而大大地促进了螺旋理论在机构学特别是并联机器人机构学的发展。而北京交通大学的方跃法教授创造性的利用螺旋理论解决了少自由度并联机器人构型综合解析分析的难题,加速了螺旋理论应用的普及。

在21世纪初的这二十年,随着并联机器人机构学研究的热潮,螺旋理论受到众多机器人学家的青睐。国际上几乎三分之一以上研究并联机器人机构学的文章采用了螺旋理论的方法,可以说螺旋理论已经成为了机器人机构学研究的重要工具。

并联机器人特点

并联机器人的特点呈现为无累积误差,精度较高;驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻、速度高、动态响应好。详细表现如下:

(1)无累积误差,精度较高;

(2)驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻,速度高,动态响应好;

(3)结构紧凑,刚度高,承载能力大;

(4)完全对称的并联机构具有较好的各向同性;

(5)工作空间较小;

根据这些特点,并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。

并联机器人分类

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。

按并联机构的自由度数可分为2自由度并联机构、3自由度并联机构、4自由度并联机构、5自由度并联机构、6自由度并联机构。

其中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。

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