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依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)，可將機(jī)器人分為串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和混合機(jī)器人三大類(lèi)別。其中，串聯(lián)機(jī)器人由一組開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈組成，并聯(lián)機(jī)器人由一些閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈組成，混合機(jī)器人則同時(shí)包含了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈。
雖然并聯(lián)機(jī)器人出現(xiàn)時(shí)間較串聯(lián)機(jī)器人晚，但其無(wú)論在學(xué)術(shù)理論，還是實(shí)際應(yīng)用上都填補(bǔ)了一些行業(yè)空白。在發(fā)展歷史中，并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)正被慢慢凸顯出來(lái)。
具體來(lái)看，串聯(lián)機(jī)器人是工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中最常用的類(lèi)別，其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于自身體積和所占的地面范圍，具有很大的工作空間，缺點(diǎn)是其由于開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的較低剛度和較大慣性。
反觀并聯(lián)機(jī)器人，由于其閉鏈的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有高剛度，高承載力;且驅(qū)動(dòng)電機(jī)多安裝于定平臺(tái)，故具有慣性小，速度快的優(yōu)點(diǎn)。再加上某些機(jī)器人的特定工作空間，并聯(lián)機(jī)器人在實(shí)際工程中找到了獨(dú)特的用武之地。
發(fā)展歷程
國(guó)外
1931年，Gwinnett在其專(zhuān)利中提出了一種基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂(lè)裝置;
1940年，Pollard在其專(zhuān)利中提出了一種空間工業(yè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于汽車(chē)的噴漆;
1962年，Gough發(fā)明了一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度輪胎檢測(cè)裝置;
1965年，Stewart首次對(duì)Gough發(fā)明的這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)意義上的研究，并將其推廣應(yīng)用為飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生裝置，這種機(jī)構(gòu)也是目前應(yīng)用最廣的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，被稱(chēng)為Gough-Stewart機(jī)構(gòu)或Stewart機(jī)構(gòu)。
1978年，Mccallino等人首次設(shè)計(jì)出了在小型計(jì)算機(jī)控制下，在精密裝置中完成校準(zhǔn)任務(wù)的并聯(lián)機(jī)器人，真正拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)器人研究的序幕。
80年代末期到90年代以來(lái)，并聯(lián)機(jī)器人才引起廣泛注意。
國(guó)內(nèi)
1991年，燕山大學(xué)黃真教授在研制出我國(guó)第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī);
1997年，清華大學(xué)和天津大學(xué)合作研制的大型鏜床類(lèi)并聯(lián)樣機(jī)VAMTIY;
1998年，東北大學(xué)研制了五軸聯(lián)動(dòng)三桿并聯(lián)機(jī)床DSX5-70。
1999年，天津大學(xué)和天津第一機(jī)床總廠合作研制了三坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床商品化樣機(jī)LINAPOD，哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)。
我國(guó)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究起步較晚，技術(shù)與國(guó)外相比還存在著差距。在并聯(lián)機(jī)器人不過(guò)，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用水平日益提高，逐漸受到企業(yè)的認(rèn)可與使用。
并聯(lián)機(jī)器人分類(lèi)
1、Stewart機(jī)器人
Stewart機(jī)器人可以說(shuō)是最經(jīng)典的并聯(lián)機(jī)器人，也是世界上出現(xiàn)的第一種并聯(lián)機(jī)器人。這類(lèi)機(jī)器人最初由Gough在1947年發(fā)明，被用于檢測(cè)各種載荷條件下的輪胎磨損。
將Stewart與Gough聯(lián)系在一起是源于Stewart在1965年發(fā)表的一篇論文中，提及了Gough的工作和這種平臺(tái)的圖像，這篇論文對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。基于此，這類(lèi)構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)器人也被稱(chēng)為Gough-Stewart機(jī)器人。
該機(jī)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(dòng)副聯(lián)接兩桿。由于其剛度高和重負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，Stewart機(jī)器人常被用于各種重載的模擬臺(tái)，例如飛行模擬器、地震模擬臺(tái)、航天對(duì)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(yīng)用包括電影座椅等。
現(xiàn)在生產(chǎn)Stewart平臺(tái)相關(guān)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)知名的主要有美國(guó)MOOG、南京全控等。
2、Delta機(jī)器人
另一種具有跨時(shí)代意義的并聯(lián)機(jī)器人——Delta機(jī)器人發(fā)明于20世紀(jì)80年代，發(fā)明人為Reyrnond Clavel。這種新型機(jī)器人發(fā)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(shí)為Delta機(jī)器人申請(qǐng)了專(zhuān)利。他在1999年獲得了金機(jī)器人獎(jiǎng)，以表彰其在Delta機(jī)器人領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
1999年，ABB開(kāi)始銷(xiāo)售Delta機(jī)器人。直到其專(zhuān)利在2012年解禁后，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人企業(yè)才開(kāi)始生產(chǎn)并銷(xiāo)售Delta機(jī)器人。ABB也成為了現(xiàn)在國(guó)際上做delta機(jī)器人最成熟的公司，目前國(guó)內(nèi)出貨量比較多的廠商有阿童木機(jī)器人、勃肯特機(jī)器人、李群自動(dòng)化等。
Delta機(jī)器人是最經(jīng)典的少自由度機(jī)器人，也是在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種并聯(lián)機(jī)器人。三自由度Delta機(jī)器人由三條支鏈組成，其關(guān)鍵之處在于使用了平行四邊形結(jié)構(gòu)，可以保證末端執(zhí)行器的姿態(tài)。
Delta機(jī)器人的最大優(yōu)勢(shì)是速度快，業(yè)內(nèi)勃肯特的高速并聯(lián)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍已達(dá)到433次/min，超過(guò)了國(guó)外品牌，可見(jiàn)Delta機(jī)器人很適合用于抓取搬運(yùn)小重量物體，所以被大規(guī)模應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、3C等領(lǐng)域。
不僅如此，在傳統(tǒng)Delta機(jī)器人的基礎(chǔ)上，還有許多變種，在保留其高速的情況下，給予機(jī)器人更多的自由度，以滿足工程需要。
(1)在機(jī)器人的定平臺(tái)中心加一個(gè)UPU支鏈，使其變成一個(gè)四支鏈四自由度的機(jī)器人，增加了一個(gè)垂直于動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)在動(dòng)平臺(tái)上增加一個(gè)小轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)等，從而增加機(jī)器人的自由度，其在自由度上與上一種變種機(jī)器人相同。
(3)Adept Quattro機(jī)器人，在Delta機(jī)器人三支鏈基礎(chǔ)上增加一個(gè)支鏈，使其變成四驅(qū)動(dòng)三自由度的冗余機(jī)器人，與同類(lèi)型機(jī)器人相比，其高效率可節(jié)省23%的能耗，同時(shí)速度在delta的基礎(chǔ)上還可以大大增加。
(4)Delta機(jī)器人還可以將其提供驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副變?yōu)橐苿?dòng)副，移動(dòng)副可以與動(dòng)平臺(tái)形成不同的角度，分別為移動(dòng)副與動(dòng)平臺(tái)平行、移動(dòng)副與動(dòng)平臺(tái)成任意角度、移動(dòng)副與動(dòng)平臺(tái)垂直。其中前兩者仍然用于搬運(yùn)抓取，而后者常用于3D打印機(jī)。
(5)此外，在將驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)改成移動(dòng)副的基礎(chǔ)上，三條移動(dòng)副還可以設(shè)計(jì)為不對(duì)稱(chēng)的形狀，將三條移動(dòng)副軸線設(shè)計(jì)為三條平行的直線，也是Delta機(jī)器人的變種之一。
3、五桿機(jī)器人
五桿機(jī)器人是最簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)器人，具有兩個(gè)自由度，可以在平面上做二維移動(dòng)，通常與平行四邊形機(jī)構(gòu)配合使用，以保證末端執(zhí)行器的姿態(tài)不變。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，主要應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、3C等領(lǐng)域的搬運(yùn)。
4、靈巧眼機(jī)器人
靈巧眼機(jī)器人具有三自由度，其動(dòng)平臺(tái)可以做三維轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)器人共有三條支鏈，每條支鏈有兩個(gè)桿、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，機(jī)器人的所有轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線會(huì)交于一點(diǎn)。基于此特點(diǎn)，動(dòng)平臺(tái)只會(huì)繞此點(diǎn)做三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
由于靈巧眼機(jī)器人特有的運(yùn)動(dòng)學(xué)和工作空間的特點(diǎn)，常被應(yīng)用于機(jī)器人眼球、衛(wèi)星天線、機(jī)器人肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等場(chǎng)合。
發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析
事實(shí)上，在民用領(lǐng)域，被大規(guī)模應(yīng)用的并聯(lián)機(jī)器人只有Delta機(jī)器人和五桿機(jī)器人，而Delta機(jī)器人基本成為了并聯(lián)機(jī)器人的代名詞。即使擴(kuò)展到航空航天和軍事領(lǐng)域，比較常用的并聯(lián)機(jī)器人也只能再加上Stewart機(jī)器人。
值得一提的是，并聯(lián)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用并不僅限于此，例如3-SPS-PS機(jī)器人和支鏈嵌套并聯(lián)機(jī)器人等由于其工作空間的特點(diǎn)，在工程應(yīng)用上也有很大的潛力。
構(gòu)型上的改變屬于機(jī)器人最底層的改變，而機(jī)器人行業(yè)研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，工業(yè)又以營(yíng)利為目標(biāo)，因而更傾向于求穩(wěn)，所以即使是四大家族級(jí)別的大機(jī)器人廠商，對(duì)待新的、不同構(gòu)型的機(jī)器人亦十分謹(jǐn)慎。這也是很多并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型在工程實(shí)際的潛力并沒(méi)有得到完全挖掘的原因。
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