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並聯機器人 英文名為ParallelMechanism,簡稱PM,可以定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鏈相連接,機構具有兩個或兩個以上自由度,且以並聯方式驅動的一種閉環機構。並聯機器人的特點呈現為無累積誤差,精度較高;驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置,這樣運動部分重量輕,速度高,動態響應好。 中文名並聯機器人外文名Parallel robot簡 稱PM特 點並聯機構相關高校燕山大學 。
定義
並聯機構(ParallelMechanism,簡稱PM),可以定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鏈相連接,機構具有兩個或兩個以上自由度,且以並聯方式驅動的一種閉環機構。
特點
(1)無累積誤差,精度較高; (2)驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置,這樣運動部分重量輕,速度高,動態響應好; (3)結構緊湊,剛度高,承載能力大; (4)完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性; (5)工作空間較小;根據這些特點,並聯機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領域內得到了廣泛應用。
相關人物事件
1978年,Hunt首次提出把六自由度並聯機構作為機器人操作器,由此拉開並聯機器人研究的序幕,但在隨後的近10年裡,並聯機器人研究似乎停滯不前。直到80年代末90年代初,並聯機器人才引起了廣泛注意,成為國際研究的熱點。 在國內,燕山大學教授黃真教授在1991年研製出我國第一台六自由度並聯機器人樣機(圖1-5),在1994年研製出一台柔性鉸鏈並聯式六自由度機器人誤差補償器,在1997年出版了我國第一部關於並聯機器人理論及技術的專著,2006年又出版了《高等空間機構學》。黃真,男,漢族,1936年2月出生,江蘇宜興人,教授,1959年畢業於哈爾濱工業大學機械工藝專業,現任燕山大學教授,博士生導師。他是我國最早的一位從事並聯機器人研究的學者,也是該領域的最著名的學者。他多次參加國際學術活動,在國際上已有較大的影響,特別是在2004年舉行有44個國家500多名學者參加的國際機器和機構學學會國際學術年會第11屆大會上,他為6個中心發言人之一。 他主要從事機器人學、和並聯機器人機械學等方面的研究工作。多年來,先後承擔國家自然科學基金項目9項,國家863項目3項,國家科技攻關等項目共計20餘項。已在國內外發表論文280餘篇,其中國際著名雜誌《MechanismandMachineTheory《InternationalJournalofRoboticsResearch》,《JournalofRoboticSystems》,《ASMJournalofMechanicalDesign》發表30餘篇;ASME、IEEE等國際會議發表論文50餘篇;《中國科學》及國內一級學術雜誌《機械工程學報》、《中國機械工程》、等發表論文40餘篇。其中129篇次被三大索引(SCI-33、EI-88和ISTP-8)收錄,他引總共369次。出版專著《空間機構學》(1991年)和《並聯機器人機構學理論及控制》(1997年),後者被審定為「全國高技術重六自由度機器人誤差補償器點圖書」。他的專著《高等空間機構學》又被教育部審定為全國研究生指定教材,已於2006年6月出版。 他的研究成果已獲國家教育部科自然科學1等獎2項,河北省科技進步1等獎2項等科技獎勵共計16項。作為課題主要負責人主持國家自然科學基金等項目2項及河北省高層次特別優秀人才支持計劃。黃真教授治學嚴謹、知識淵博、誨人不倦,直到近70歲的高齡仍舊奮戰在科學研究的第一線。黃真教授在工作中他多次受到黨和政府的表彰,多次被評為省管優秀專家。並多次獲秦皇島市勞動模範、河北省勞動模範和原機械工業部勞動模範等光榮稱號。
相關理論
螺旋理論並聯機構
特點;1965年,德國Stewart 發明了六自由度並聯機構,並作為飛行模擬器用於訓練飛行員。1978年澳大利亞著名機構學教授Hunt提出將並聯機構用於機器人手臂。 並聯機構的特點: (1)與串聯機構相比剛度大,結構穩定; (2)承載能力大; (3)微動精度高; (4)運動負荷小; (5)在位置求解上,串聯機構正解容易,但反解十分困難,而並聯機構正解困難反解卻非常容易。由於機器人在線實時計算是要計算反解的,這對串聯式十分不利,而並聯式卻容易實現。
分類
從運動形式來看,並聯機構可分為平面機構和空間機構;細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構,另可按並聯機構的自由度數分類: (1)2自由度並聯機構。自由度並聯機構,如5-R、3-R-2-P(R表示轉動副,P表示移動副)平面5杆機構是最典型的2自由度並聯機構,這類機構一般具有2個移動運動。 (2 )3 自由度並聯機構。 3 自由度並聯機構各類較多,形式較複雜,一般有以下形式:平面3自由度並聯機構,如3-RRR 機構、3-RPR 機構,它們具有2個移動和一個轉動;球面3自由度並聯機構,如3-RRR 球面機構、3-UPS-1-S 球面機構,3-RRR 球面機構所有運動副的軸線匯交空間一點,這點稱為機構的中心,而3-UPS-1-S 球面機構則以S的中心點為機構的中心,機構上的所有點的運動都是繞該點的轉動運動;3 維純移動機構,如Star Like 並聯機構、Tsai 並聯機構和DELTA 機構,該類機構的運動學正反解都很簡單,是一種應用很廣泛的3維移動空間機構;空間3自由度並聯機構,如典型的3-RPS 機構,這類機構屬於欠秩機構,在工作空間內不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點,由於這種特殊的運動特性,阻礙了該類機構在實際中的廣泛應用;還有一類是增加輔助杆件和運動副的空間機構,如德國漢諾威大學研製的並聯機床採用的3-UPS-1-PU 球坐標式3 自由度並聯機構,由於輔助杆件和運動副的制約,使得該機構的運動平台具有1 個移動和2 個轉動的運動(也可以說是3個移動運動) 。[1] (3 )4 自由度並聯機構。自由度並聯機構大多不是完全並聯機構,如2-UPS-1-RRRR 機構,運動平台通過3個支鏈與定平台相連,有2個運動鏈是相同的,各具有1個虎克鉸U ,1 個移動副P ,其中P 和1 個R 是驅動副,因此這種機構不是完全並聯機構。 (4 )5 自由度並聯機構。現有的5 自由度並聯機構結構複雜,如韓國Lee的5自由度並聯機構具有雙層結構(2 個並聯機構的結合)。 (5)6自由度並聯機構。自由度並聯機構是並聯機器人機構中的一大類,是國內外學者研究得最多的並聯機構,廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和並聯機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術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並聯機床的精度標定等。從完全並聯的角度出發,這類機構必須具有6個運動鏈。但現有的並聯機構中,也有擁有3 個運動鏈的6 自由度並聯機構,如3-PRPS 和3-URS 等機構,還有在3 個分支的每個分支上附加1個5杆機構作這驅動機構的6自由度並聯機構等。
背景應用
歷史:並聯機構的出現可以回溯至20世紀30年代。1931年,Gwinnett在其專利中提出了一種基於球面並聯機構的娛樂裝置(圖1);1940年,Pollard在其專利中提出了一種空間工業並聯機構,用於汽車的噴漆(圖2);之後,Gough在1962年發明了一種基於並聯機構的六自由度輪胎檢測裝置(圖3);三年後,Stewart首次對Gough發明的這種機構進行了機構學意義上的研究,並將其推廣應用為飛行模擬器的運動產生裝置,這種機構也是目前應用最廣的並聯機構,被稱為Gough-Stewart機構或Stewart機構(圖4)。[2]
並聯娛樂裝置
Pollard的並聯機構並聯機器人Gough- Stewart機構。
應用方面
(1)運動模擬器波音737-400飛行模擬器CAE 飛行模擬器。 (2)並聯機床。 (3)微操作機器人。 (4)力傳感器其他:軍事領域中的潛艇、坦克駕駛運動模擬器,下一代戰鬥機的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對接裝置、姿態控制器等;生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割;微外科手術機器人;大型射電天文望遠鏡的姿態調整裝置;混聯裝備等,如SMT公司的Tricept混聯機械手模塊是基於並聯機構單元的模塊化設計的成功典範。
其他方面的應用
並聯機器人還廣泛應用於其他領域,包括: 軍事領域中的潛艇、坦克駕駛運動模擬器,下一代戰鬥機的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對接裝置、姿態控制器等; 生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割; 微外科手術機器人; 大型射電天文望遠鏡的姿態調整裝置; 混聯裝備等,如SMT 公司的Tricept 混聯機械手模塊是基於並聯機構單元的模塊化設計的成功典範 。[3]