并联机器人大作业—徐齐平(2)

三维曲面。还具有环境适应性强的特点，便于重组和模块化设计，可构成形式多样的布局和自由度组合。

3. 工业机器人。随着工业现代化发展的高速进程，以及加工业工艺的不断完善，技

术的不断进步，工业机器人的应用被越来越多的企业认识和接受。工业机器人既保证了产品质量，又减少了特殊环境工作的危险和实现对人员的劳动强度的降低和人员劳动保护意识的提高。

4. 微动机构。微动机构是并联机器人的重要应用。微动机构发挥了并联机构的特点，

工作空间不大，但精度和分辨率非常高。

5. 医用机器人。医疗机器人已经成为医学外科学会和机器人学会共同关注的新技术

领域。医疗机器人具有选位准确、动作精细、避免病人传染等特点。近年来，医疗机器人引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注。

6. 操作器。并联机器人可以用作飞船和空间对接器的对接机构，上下平台中间都有

通孔作为对接后的通道，上下平台作为对接环，由6个直线驱动器以帮助飞船对正，对接机构还能完成吸收能量和减振，以及主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可以采用这种强力的并联机构。

四、并联机器人的主要研究方向

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。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。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、奇异结构分析、工作空间分析四大方向。 1.运动学分析

运动学中的主要参数：位置、位移、速度、加速度和时间。运动学分析主要研究并联机构正逆解问题。当给定并联机器人上平台的位姿参数，求解各输入关节的位置参数是并联机器人运动学位姿反解问题。当给定并联机器人各输入节点的位置参数，求解并联机器人上平台的位姿参数是并联机器人的运动学正解问题。与串联机器人相反，并联机器人位置逆解比较容易，而正解非常复杂。最为普遍的研究方法有两种：数值解法和解析解法。

1) 数值解法

数值解法数学模型简单，可以求解任何并联机构，但是不能求得机构的所有位置解。学

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者们使用了多种降维搜索算法，来获得位置正解。

数值解法是指求解一组非线性方程，非线性方程是矢量环方程经过一些具体结构的代数处理后，直接导出的，从而求得与输入位移对应的运动平台的位置和姿态。由于其省去了烦琐的数学推导，计算方法简单，但此方法计算速度较慢，不能保证获得全部解，并且最终的结果与初值的选取有关。黄真早在1985年就提出对于含三角平台的并联机构可以简化为只含有一个变量的非线性方程一维搜索法，明显地提高了求解速度。西南交大陈永等提出了一种基于同伦函数的新迭代法，不需选取初值并可求出全部解。该方法用于求解一般的6-SPS并联机构的位置正解，较方便的求出了全部40组解。华中理工的李维嘉采用虚拟连杆，将难于求正解、甚至无法求正解的机构简化成与之相近的、易于求正解的的6—3结构形式，把得出的6—3型的正解，作为求这类机构正解的初始值，通过极少次迭代，得出了其正解的全部精确值。工程兵工程学院刘安心等研究了上下平台均不为平面的最一般6-SPS并联机构位置正解。他建立了含六个变量的位置正解方程组，利用四元齐次化法，跟踪960条同伦路径，求出了全部40组位置正解。

2) 解析解法

解析法是通过消元法消去机构约束方程中的未知数，从而获得输入输出方程中仅含一个未知数的多项式。该方法能够求得全部的解。输入输出的误差效应可以定量地表示出来，并可以避免奇异问题，在理论和应用上都有重要意义。

一些学者研究发现，当上平台或下平台各自的铰链点具有共线性以及上下平台铰链点构成的多边形具有部分相似性时，正解求解会相对容易些，并给出了相应的正解解析解。Faugere和Lazard在前人分析研究的基础上，根据最大可能解的数目把Stewart平台机构分为了35种结构类型。近年来，少自由度并联机构成为新的研究热点，在其机构位置正解分析中解析法被广泛采用。

北京工业大学的饶青等利用机构的几何等同性原理建立正解的基本方程，最后推导出了一个20阶的一元位移输入输出方程，从而得到了封闭正解。

3) 速度和加速度分析

速度和加速度分析，最早是在Fieher和Merlet的文献中见到。他们研究发现Stewart平台机构力的正变换是直接的线性映射关系，可以用6×6矩阵H表示。其实就是传统意义的雅可比矩阵。Fieher通过H的线性变换，导出了逆速度运动学公式；通过H 的转置获得了正向运动速度运动学。加速度运动学也可以类似的处理得到。由于速度运动学能直接用于微分运动，Ropponen和Arai已经将它用于关节的精度分析。燕山大学黄真教授利用影响系数法对并联机构的速度加速度进行了分析。机构的一阶影响系数就是传统意义的雅可比矩阵。影响系数法能够以简单的显式表达式表示机构的速度、加速度、误差和受力等；另外还可以从分析影响系数矩阵入手，深入分析机构的一些性能，如奇异性、驱动空间与工作空间的映射、灵活度、各向同性及可操作度等。而影响系数矩阵本身计算比较简单，因此影响系数法是一种较好的机构分析方法。

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2.动力学分析

动力学的研究对象是建立描述机器人操作手动力学行为的数学模型，它研究物体的运动和作用力之间的关系，并联机器人是一个复杂的动力学系统，存在着严重的非线性，由多个关节和多个连杆组成，具有多个输入和输出，他们之间存在着错综复杂的耦合关系。其研究内容包括：惯性力计算、受力分析、驱动力矩分析、主负约束反力分析、动力学模型建立、计算机动态仿真、动态参数辨识等。动力学分析包括正逆两类问题。动力学的正问题是指已知操作机各主动关节提供的广义驱动力或力矩随时间或随位形的变化规律，求解任务空间的运动轨迹以及轨迹上各点的速度和加速度。其逆问题是指已知通过轨迹规划给出的任务空间的运动路径以及各点的速度和加速度，求解驱动器必须提供给主动关节随时间或随位形变化的广义驱动力或力矩。由于并联机构的复杂性，所以其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。建立动力学模型的常用方法有：Newton-Euler法、Lagrange法、d’Alembert原理、虚功原理(virtual work principle)法、Kane法、高斯(Gauss)法、旋量(对偶数)法、罗伯逊一魏登堡(Roberson-Wittenburg)法和影响系数(Influence coefficient)法等。早期进行动力学的讨论是Ficher和Merlet，在忽略连杆的惯性和关节的摩擦后，得出了Stewart机器人的动力学方程。Do和Yang通过Newton-Euler法，在假定关节无摩擦，各支杆为不对称的细杆（即重心在轴上且绕轴向的转动惯量可以忽略）条件下，完成了Stewart机器人的逆动力学分析。

Newton-Euler法的特点是：概念清晰，方法直观易懂，计算速度快，容易求解运动副反力，但推导过程复杂，方程数目庞大。

Lagrange法以系统的动能和势能为基础的，不用分析机构的真实运动，推导过程较简便，能得到形式简洁的动力学方程，能清楚地表示出各构件的耦合特性，形式简单。此法既能用于系统的动力学分析， …… 此处隐藏：3571字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……