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一文讀懂并聯機器人的前世今生
發布時間:2022-07-12 13:15

  依據運動學結構,可將機器人分為串聯機器人、并聯機器人和混合機器人三大類別。其中,串聯機器人由一組開環運動鏈組成,并聯機器人由一些閉環運動鏈組成,混合機器人則同時包含了開環和閉環運動鏈。

  雖然并聯機器人出現時間較串聯機器人晚,但其無論在學術理論,還是實際應用上都填補了一些行業空白。在發展歷史中,并聯機器人的優點正被慢慢凸顯出來。

  具體來看,串聯機器人是工業應用場景中最常用的類別,其主要優點是對于自身體積和所占的地面范圍,具有很大的工作空間,缺點是其由于開環運動學結構所帶來的較低剛度和較大慣性。

  反觀并聯機器人,由于其閉鏈的運動結構,具有高剛度,高承載力;且驅動電機多安裝于定平臺,故具有慣性小,速度快的優點。再加上某些機器人的特定工作空間,并聯機器人在實際工程中找到了獨特的用武之地。

  發展歷程

  國外

  1931年,Gwinnett在其專利中提出了一種基于球面并聯機構的娛樂裝置;

  1940年,Pollard在其專利中提出了一種空間工業并聯機構,用于汽車的噴漆;

  1962年,Gough發明了一種基于并聯機構的六自由度輪胎檢測裝置;

  1965年,Stewart首次對Gough發明的這種機構進行了機構學意義上的研究,并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并聯機構,被稱為Gough-Stewart機構或Stewart機構。

  1978年,Mccallino等人首次設計出了在小型計算機控制下,在精密裝置中完成校準任務的并聯機器人,真正拉開了并聯機器人研究的序幕。

  80年代末期到90年代以來,并聯機器人才引起廣泛注意。

  國內

  1991年,燕山大學黃真教授在研制出我國第一臺六自由度并聯機器人樣機;

  1997年,清華大學和天津大學合作研制的大型鏜床類并聯樣機VAMTIY;

  1998年,東北大學研制了五軸聯動三桿并聯機床DSX5-70。

  1999年,天津大學和天津第一機床總廠合作研制了三坐標并聯機床商品化樣機LINAPOD,哈爾濱工業大學也研制了一臺六自由度并聯機床樣機。

  我國對并聯機器人的研究起步較晚,技術與國外相比還存在著差距。在并聯機器人不過,經過近幾年的發展,國產并聯機器人應用水平日益提高,逐漸受到企業的認可與使用。

  并聯機器人分類

  1、Stewart機器人

  Stewart機器人可以說是最經典的并聯機器人,也是世界上出現的第一種并聯機器人。這類機器人最初由Gough在1947年發明,被用于檢測各種載荷條件下的輪胎磨損。

  將Stewart與Gough聯系在一起是源于Stewart在1965年發表的一篇論文中,提及了Gough的工作和這種平臺的圖像,這篇論文對并聯機器人運動學的發展產生了重要的影響?;诖?,這類構型的并聯機器人也被稱為Gough-Stewart機器人。

  該機器人為六自由度,有六條支鏈,每條支鏈的兩端為球副,中間由一移動副聯接兩桿。由于其剛度高和重負載的優點,Stewart機器人常被用于各種重載的模擬臺,例如飛行模擬器、地震模擬臺、航天對接裝置,以及用于確定組合載荷下輪胎的性能等;在民用方面的應用包括電影座椅等。


  現在生產Stewart平臺相關產品的機構知名的主要有美國MOOG、南京全控等。

  2、Delta機器人

  另一種具有跨時代意義的并聯機器人——Delta機器人發明于20世紀80年代,發明人為Reyrnond Clavel。這種新型機器人發明的初衷是,以非常高的速度操縱輕而小的物體。1991年,Reyrnond Clavel提交了自己的博士論文,同時為Delta機器人申請了專利。他在1999年獲得了金機器人獎,以表彰其在Delta機器人領域的貢獻。

  1999年,ABB開始銷售Delta機器人。直到其專利在2012年解禁后,國內的機器人企業才開始生產并銷售Delta機器人。ABB也成為了現在國際上做delta機器人最成熟的公司,目前國內出貨量比較多的廠商有阿童木機器人、勃肯特機器人、李群自動化等。

  Delta機器人是最經典的少自由度機器人,也是在實際工業中應用最廣泛的一種并聯機器人。三自由度Delta機器人由三條支鏈組成,其關鍵之處在于使用了平行四邊形結構,可以保證末端執行器的姿態。

  Delta機器人的最大優勢是速度快,業內勃肯特的高速并聯機器人標準節拍已達到433次/min,超過了國外品牌,可見Delta機器人很適合用于抓取搬運小重量物體,所以被大規模應用于食品、醫藥、3C等領域。

  不僅如此,在傳統Delta機器人的基礎上,還有許多變種,在保留其高速的情況下,給予機器人更多的自由度,以滿足工程需要。

  (1)在機器人的定平臺中心加一個UPU支鏈,使其變成一個四支鏈四自由度的機器人,增加了一個垂直于動平臺的轉動。

  (2)在動平臺上增加一個小轉動電機等,從而增加機器人的自由度,其在自由度上與上一種變種機器人相同。

  (3)Adept Quattro機器人,在Delta機器人三支鏈基礎上增加一個支鏈,使其變成四驅動三自由度的冗余機器人,與同類型機器人相比,其高效率可節省23%的能耗,同時速度在delta的基礎上還可以大大增加。

  (4)Delta機器人還可以將其提供驅動的轉動副變為移動副,移動副可以與動平臺形成不同的角度,分別為移動副與動平臺平行、移動副與動平臺成任意角度、移動副與動平臺垂直。其中前兩者仍然用于搬運抓取,而后者常用于3D打印機。

  (5)此外,在將驅動關節改成移動副的基礎上,三條移動副還可以設計為不對稱的形狀,將三條移動副軸線設計為三條平行的直線,也是Delta機器人的變種之一。

  3、五桿機器人

  五桿機器人是最簡單的并聯機器人,具有兩個自由度,可以在平面上做二維移動,通常與平行四邊形機構配合使用,以保證末端執行器的姿態不變。在實際工業應用中,主要應用于食品、醫藥、3C等領域的搬運。

  4、靈巧眼機器人

  靈巧眼機器人具有三自由度,其動平臺可以做三維轉動。該機器人共有三條支鏈,每條支鏈有兩個桿、三個轉動副,機器人的所有轉動副的軸線會交于一點?;诖颂攸c,動平臺只會繞此點做三自由度轉動運動。

  由于靈巧眼機器人特有的運動學和工作空間的特點,常被應用于機器人眼球、衛星天線、機器人肩關節、腕關節等場合。

  發展現狀及前景分析

  事實上,在民用領域,被大規模應用的并聯機器人只有Delta機器人和五桿機器人,而Delta機器人基本成為了并聯機器人的代名詞。即使擴展到航空航天和軍事領域,比較常用的并聯機器人也只能再加上Stewart機器人。

  值得一提的是,并聯機器人的實際應用并不僅限于此,例如3-SPS-PS機器人和支鏈嵌套并聯機器人等由于其工作空間的特點,在工程應用上也有很大的潛力。

  構型上的改變屬于機器人最底層的改變,而機器人行業研發成本高、周期長,工業又以營利為目標,因而更傾向于求穩,所以即使是四大家族級別的大機器人廠商,對待新的、不同構型的機器人亦十分謹慎。這也是很多并聯機器人的構型在工程實際的潛力并沒有得到完全挖掘的原因。

關鍵詞: 并聯機器人
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