Параллельный манипулятор - Parallel manipulator

Абстрактный рендер платформы Hexapod (платформа Стюарта)

А параллельный манипулятор это механическая система который использует несколько последовательные цепи с компьютерным управлением для поддержки единой платформы или рабочий орган. Пожалуй, самый известный параллельный манипулятор состоит из шести линейных приводов, которые поддерживают подвижное основание для таких устройств, как имитаторы полета. Это устройство называется Платформа Стюарта или платформу Gough-Stewart в знак признания инженеров, которые первыми разработали и использовали их.[1]

Чрезмерно активный планарный параллельный манипулятор, смоделированный с помощью MeKin2D.


Также известный как параллельные роботы, или же обобщенные платформы Стюарта (в Платформа Стюарта, исполнительные механизмы соединены вместе как на основании, так и на платформе), эти системы шарнирные роботы которые используют аналогичные механизмы для перемещения либо робота на его базе, либо одного или нескольких манипулятор руки. Их «параллельное» различие, в отличие от серийный манипулятор, это что рабочий орган (или «рука») этой связи (или «рука») напрямую связана с ее основанием посредством ряда (обычно трех или шести) отдельных и независимых связей, работающих одновременно. Нет геометрическая параллельность подразумевается.

Особенности дизайна

Параллельный манипулятор разработан таким образом, что каждая цепь обычно короткая, простая и, таким образом, может быть жесткой против нежелательного перемещения по сравнению с серийный манипулятор. Ошибки в позиционировании одной цепочки усредняются вместе с другими, а не накапливаются. Каждый привод должен двигаться в пределах своего степень свободы, как для серийного робота; однако в параллельном роботе внеосевая гибкость сустава также ограничивается влиянием других цепей. Это это замкнутый контур жесткость, которая делает общий параллельный манипулятор жестким по отношению к его компонентам, в отличие от последовательной цепи, которая становится все менее жесткой с увеличением количества компонентов.

Это взаимное усиление также позволяет простую конструкцию: Платформа Стюарта гексаподы используют цепи призматический шарнир линейные приводы между любой осью универсальный шаровые шарниры. Шаровые опоры пассивны: они могут свободно двигаться, без приводов и тормозов; их положение ограничено исключительно другими цепями. Роботы Delta установлены на основании поворотные приводы которые перемещают легкую жесткую руку в форме параллелограмма. Эффектор устанавливается между кончиками трех из этих рычагов, и, опять же, он может быть установлен с помощью простых шаровых шарниров. Статический представление параллельного робота часто сродни представлению шарнирная ферма: звенья и их приводы ощущают только растяжение или сжатие без какого-либо изгиба или крутящего момента, что снова снижает влияние любой гибкости на внеосевые силы.

Еще одно преимущество параллельного манипулятора состоит в том, что тяжелые приводы часто могут быть установлены по центру на единой базовой платформе, при этом перемещение руки осуществляется только через стойки и соединения. Это уменьшение массы вдоль рычага позволяет сделать его конструкцию более легкой, а значит, более легкие приводы и более быстрые движения. Эта централизация массы также снижает общий вес робота. момент инерции, что может быть преимуществом для мобильного или шагающий робот.

Все эти особенности позволяют создавать манипуляторы с широким диапазоном движений. Поскольку их скорость действия часто ограничивается их жесткостью, а не абсолютной мощностью, они могут быть быстродействующими по сравнению с серийными манипуляторами.

Низкая подвижность

Манипулятор с полной подвижностью может перемещать объект с 6 степенями свободы (DoF), определяемыми 3 позициями и 3 координатами ориентации. Однако, когда задача манипуляции требует менее 6 степеней свободы, использование манипуляторов с меньшей мобильностью и менее 6 степеней свободы может дать преимущества с точки зрения более простой архитектуры, более легкого управления, более быстрого движения и более низкой стоимости. [2] . Например, дельта 3 степени свободы [3] [4] робот зарекомендовал себя как очень успешный для приложений быстрого захвата и размещения. Рабочее пространство манипуляторов с меньшей мобильностью может быть разделено на подпространства «движение» и «ограничение». Например, 3 координаты положения составляют подпространство движения робота с 3 степенями свободы Дельта, а 3 координаты ориентации находятся в подпространстве ограничения. Подпространство движения манипуляторов с более низкой подвижностью может быть дополнительно разделено на независимые (желательные) и зависимые подпространства: состоящие из «сопутствующего» или «паразитного» движения, которое является нежелательным движением манипулятора. Изнурительные эффекты паразитического движения должны быть смягчены или устранены в успешной конструкции манипуляторов с меньшей мобильностью. Например, робот Delta не имеет паразитного движения.

Сравнение с серийными манипуляторами

Системы позиционирования Hexapod, также известные как платформы Стюарта.

Большинство приложений роботов требуют жесткости. Серийные роботы могут достичь этого, используя высококачественные поворотные шарниры, которые допускают движение по одной оси, но устойчивы к движению за ее пределами. Любое совместное разрешительное движение должен также имейте это движение под преднамеренным управлением исполнительным механизмом. Таким образом, движение, требующее нескольких осей, требует нескольких таких соединений. Нежелательная гибкость или неровность в одном суставе вызывает аналогичную неровность руки, которая может быть усилена расстоянием между суставом и конечным результатом: нет возможности связать движение одного сустава с другим. Их неизбежное гистерезис и гибкость вне оси накапливается вдоль руки кинематическая цепь; прецизионный последовательный манипулятор - это компромисс между точностью, сложностью, массой (манипулятора и управляемых объектов) и стоимостью. С другой стороны, с параллельными манипуляторами высокая жесткость может быть получена при небольшой массе манипулятора (относительно манипулируемого заряда). Это обеспечивает высокую точность и скорость движений, а также мотивирует использование параллельных манипуляторов в авиасимуляторы (высокая скорость при достаточно больших массах) и электростатический или же магнитные линзы в ускорители частиц (очень высокая точность позиционирования больших масс).

А пятибалочный параллельный робот[5]
Схематично, портрет-рисунок дельта-робот[6]

Недостатком параллельных манипуляторов по сравнению с последовательными манипуляторами является их ограниченное рабочее пространство. Что касается серийных манипуляторов, то рабочее пространство ограничено геометрическими и механическими пределами конструкции (столкновения между ножками максимальной и минимальной длины ножек). Рабочее пространство также ограничено наличием особенности, то есть положения, в которых для некоторых траекторий движения изменение длин ног бесконечно меньше, чем изменение положения. И наоборот, в особом положении сила (например, сила тяжести), приложенная к рабочему элементу, вызывает бесконечно большие ограничения на ноги, что может привести к своего рода «взрыву» манипулятора. Определение особых позиций затруднено (для обычного параллельного манипулятора это открытая проблема). Это означает, что рабочие пространства параллельных манипуляторов, как правило, искусственно ограничиваются небольшой областью, где, как известно, нет сингулярности.

Еще один недостаток параллельных манипуляторов - это их нелинейный поведение: команда, необходимая для получения линейного или кругового перемещения рабочего органа, сильно зависит от местоположения в рабочем пространстве и не изменяется линейно во время движения.

Приложения

Основные промышленные применения этих устройств:

Также они становятся более популярными:

  • в высокоскоростном и высокоточном позиционировании с ограниченным рабочим пространством, например, при сборке Печатные платы
  • как микроманипуляторы, установленные на концевом эффекторе большего размера, но более медленного серийные манипуляторы
  • как высокая скорость / высокая точность фрезерные станки

Параллельные роботы обычно более ограничены в рабочем пространстве; например, они обычно не могут обходить препятствия. Расчеты, связанные с выполнением желаемой манипуляции (прямая кинематика), также обычно более сложны и могут привести к нескольким решениям.

Прототип "PAR4", высокоскоростного параллельного робота с 4 степенями свободы.

Два примера популярных параллельных роботов: Платформа Стюарта и Дельта-робот.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мерле, Дж. П. (2008). Параллельные роботы, 2-е издание. Springer. ISBN  978-1-4020-4132-7.
  2. ^ Ди, Раффаэле (01.12.2006), Куберо, Сэм (ред.), «Параллельные манипуляторы с пониженной подвижностью», Промышленная робототехника: теория, моделирование и управление, Pro Literatur Verlag, Германия / ARS, Австрия, Дои:10.5772/5030, ISBN  978-3-86611-285-8, получено 2020-12-03
  3. ^ Устройство для перемещения и позиционирования элемента в пространстве, Р. Клавель - Патент США 4,976,582, 1990 г.
  4. ^ Р. Клавель, Дельта: быстрый робот с параллельной геометрией, Proc 18th Int Symp Ind Robots; Сидней, Австралия (1988), стр. 91-100.
  5. ^ «DexTAR - обучающий параллельный робот». Архивировано из оригинал на 2014-05-29.
  6. ^ «Скетч, самодельный робот-рисовальщик». Джаркман.
  7. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2006-12-11. Получено 2007-03-29.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

дальнейшее чтение

  • Гогу, Григоре (2008). Структурный синтез параллельных роботов, часть 1: Методология. Springer. ISBN  978-1-4020-5102-9.
  • Гогу, Григоре (2009). Структурный синтез параллельных роботов, часть 2: трансляционные топологии с двумя и тремя степенями свободы. Springer. ISBN  978-1-4020-9793-5.
  • Мерле, Дж. П. (2008). Параллельные роботы, 2-е издание. Springer. ISBN  978-1-4020-4132-7.
  • Kong, X .; Госселин, К. (2007). Синтез типов параллельных механизмов. Springer. ISBN  978-3-540-71989-2.
  • Галлардо-Альварадо, Дж. (2016). Кинематический анализ параллельных манипуляторов с помощью алгебраической теории винта. Springer. ISBN  978-3-319-31124-1.

внешняя ссылка