Co je to paralelní robot? 9 odpovědí, které byste měli vědět

Téma diskuse: Parallel Robot a jeho vlastnosti

Co je to paralelní robot? | Parallel Robotics

Paralelní robot je mechanické zařízení, které podporuje jednu základnu nebo koncový efektor pomocí více počítačem řízených sériových řetězců. Nejznámější paralelní manipulátor se skládá ze šesti lineárních pohonů, které udržují pohyblivý základ pro aplikace, jako jsou letové simulátory. Jinými slovy, nazývá se to platforma Stewart, známá také jako platforma Gough-Stewart, podle inženýrů, kteří ji nejprve navrhli a použili.

Pohony jsou seskupeny na základně i na Stewartově platformě. K dispozici jsou kloubové roboty se stejnou strukturou pro tlačení robota nebo jednoho nebo více manipulačních ramen. Koncový efektor tohoto uspořádání je přímo připojen k jeho základně řadou (obvykle tří nebo šesti) odlišných a nezávislých vazeb pracujících souběžně místo sériového manipulátoru. Neexistuje žádný důsledek geometrického paralelismu.

Návrh paralelního robota

Paralelní robot má obvykle následující konstrukční vlastnosti:

1. Každý řetěz je obvykle krátký a přímočarý, což umožňuje jeho tuhost proti zbytečnému pohybu. Spíše než být spojité, chyby v umístění jednoho řetězce se zprůměrují s ostatními.
2. Každý aktuátor musí být schopen cestovat ve svém vlastním rozsahu pohybu. Jejich pohyb je obsažen v jejich jednotlivých stupních volnosti.
3. Důsledek ostatních řetězů omezuje mimoosovou stabilitu spoje v paralelním robotu. Konečný paralelní manipulátor je tuhý na rozdíl od svých komponent kvůli této tuhosti uzavřené smyčky.
4. Statické znázornění paralelního robota je často totožné se statickým znázorněním příhradového kloubového vazníku: přípoje a akční členy snímají pouze napětí nebo stlačení bez ohybu nebo točivého momentu, čímž se minimalizují důsledky jakékoli flexibility vůči silám mimo osu.
5. Těžké akční členy jsou často centrálně umístěny na jedné základní platformě, přičemž pohyb paže je zcela řízen vzpěrami a klouby. Kvůli úbytku hmoty kolem končetiny může být komponenta postavena tenčí, což má za následek lehčí akční členy a plynulejší pohyby. Proto je průměrný moment setrvačnosti robota snížen v důsledku centralizace hmoty.

Sériové a paralelní roboty | Podobnosti a rozdíly

Paralelní robot může dosáhnout vysoké tuhosti i při malé hmotnosti manipulátoru ohledně manipulovaného množství náboje. To dává výhodu paralelním robotům nad sériovými roboty, protože tito jsou vystaveni nežádoucímu množství flexibility nebo nedbalosti v jednom kloubu, což způsobuje podobnou nedbalost v rameni. Mezera mezi kloubem a koncovým efektorem to může ještě zhoršit, protože neexistuje způsob, jak omezit pohyb jednoho kloubu na rozdíl od druhého.

Omezený pracovní prostor je patrný v případě sériových manipulátorů, které podléhají geometrickým a mechanickým omezením konstrukce, což způsobuje kolize mezi maximální a minimální délkou nohou. Existence jedinečnosti proto omezuje pracovní prostor. Singularity jsou body, kde je rozdíl v délkách nohou exponenciálně menší než změna směru pro jiné trajektorie pohybu.

Pro srovnání, na jediném místě vytváří síla (například gravitace) působící na koncový efektor nekonečně velká omezení na nohy, což může mít za následek explozi manipulátoru. To znamená, že pracovní prostory souběžných manipulátorů jsou obvykle uměle omezeny na konkrétní oblast, kde není známa žádná singularita.

Nelineární chování je další nevýhodou paralelních robotů oproti sériovým kinematickým řetězovým manipulátorům. Příkaz použitý k dosažení lineárního nebo kruhového pohybu koncového efektoru je vysoce závislý na poloze pracovního prostoru a během cvičení se lineárně nemění.

Kombinace těchto vlastností vytváří manipulátory se širokým rozsahem pohybu. Na rozdíl od sériových manipulátorů mohou být rychlí, protože jejich tuhost omezuje jejich akční rychlost spíše než hrubou sílu.

Stewart Platform a Delta Robot jsou dva běžně používané paralelní roboty v oboru.

Stewartova platforma

Stewartova platforma je paralelní manipulátor se 6 hranolovými akčními členy, obvykle hydraulickými zvedáky připojenými ve dvojicích na 3 místa na základní desce a překříženými na 3 body na horní desce. K připojení všech 12 bodů se používají univerzální klouby.

Nástroje namontované na horní desce se mohou pohybovat ve všech šesti stupních volnosti, které má volně zavěšené tělo k dispozici: tři lineární pohyby (laterální, podélné a vertikální), stejně jako tři rotace (pitch, roll a yaw).

Lineární hydraulické pohony jsou široce používány v průmyslových aplikacích kvůli jejich jedinečnému a přímému inverznímu kinematickému uzavřenému přístupu, stejně jako jejich vysoké pevnosti a zrychlení. často se používají pro prototypování a ekonomické robotické účely. Robert Eisele prokázal, že pro inverzní kinematiku rotačního aktuátoru existuje zvláštní uzavřené řešení.

Tyto systémy se uplatňovaly v letovém simulátoru, technologiích obráběcích strojů, jeřábových aplikacích, lodních technologiích, modelování tsunami, záchranných operacích vzduch-moře, mechanických býcích, zarovnávání satelitních parabel, dalekohledu Hexapod, robotech a dalších.

Paralelní robot Delta

Delta robot je paralelní robot se třemi rameny, které jsou na základně spojeny univerzálními klouby. Primární konstrukční charakteristikou je použití rovnoběžníku v ramenech, který zachovává umístění a zarovnání koncového efektoru, a proto omezuje pohyb koncové platformy pouze na čistý překlad (není možný žádný rotační pohyb).

Všechny akční členy jsou umístěny na základně robota, která je umístěna nad pracovním prostorem. Tři střední kloubové paže se táhnou od podlahy. Konce těchto děl spojuje malá trojúhelníková základna. Vstupní vazby budou pohybovat trojúhelníkovou plošinou v jednom ze tří směrů: X, Y nebo Z. K ovládání lze použít lineární nebo rotační akční členy.

Ramena by měla být vyrobena z lehkého plastového materiálu, protože všechny ovladače jsou umístěny v základně. Výsledkem je, že rotující části robota Delta mají velmi malou setrvačnost. To umožňuje závratné rychlosti a zrychlení. Tuhost robota se zvyšuje připojením všech jeho ramen k koncovému efektoru, ale jeho pracovní objem se sníží.

Existuje mnoho různých verzí paralelního robota Delta, které byly vyvinuty v průběhu času:

1. Reymond Clavel vytvořil verzi 4 stupňů volnosti: 3 překlady a 1 rotace a The 4^th noha se táhne od základny ke středu trojúhelníkové platformy, což způsobuje, že se koncový efektor otáčí kolem svislé osy.
2. Fanuc navrhl robota Delta se 6 stupni volnosti se sériovou kinematikou se 3 stupni volnosti v rotačním pohybu, který se nachází na koncovém efektoru.
3. Adept postavil robota Delta se čtyřmi stupni volnosti a čtyřparalelogramovým koncovým efektorem, který je přímo připojen k jeho základně. Postrádá čtvrtou nohu, která vede středem koncového efektoru.
4. Asyril SA postavil robota Pocket Delta, který je navržen pro univerzální systémy podávání komponentů a další vysokorychlostní a vysoce přesné aplikace.
5. Delta Direct Drive má 3 stupně volnosti, ve kterých je motor přímo připevněn k ramenům. To produkuje velmi vysoké zrychlení v rozmezí od 30 do 100 g.
6. Delta Cube byla vytvořena v monolitické konfiguraci ohybově-pantových spojů EPFL University Laboratory LSRO. Tento robot je určen pro aplikace vyžadující extrémní přesnost.

Robot Delta Parallel najde své aplikace ve 3D tiskárnách s lineárním delta designem, což je nová funkce. Obalový průmysl, stejně jako lékařský a farmaceutický průmysl, považují paralelního robota Delta za užitečného, ​​protože těží z jeho vysoké rychlosti. To je také používáno v medicíně kvůli jeho tuhosti. Jiná použití vyžadují montáž elektronických dílů v čisté místnosti s vysokou přesností.

3 RRR planární paralelní robot

Následující obrázek odpovídá 3 RRR Parallel Robot:

5barový paralelní robot

Následující obrázek odpovídá 5barovému paralelnímu robotu:

Kinematika paralelních robotů

Kinematika pohyblivé platformy

Stewart Platform je nejoblíbenější volbou mezi paralelními robotickými manipulátory pro průmyslové použití. Mechanismus Stewart Platform se díky své implementaci do architektury obráběcích strojů se stupněm volnosti 6 dostal hodně pokrytí. Na rozdíl od tradičních architektur obráběcích strojů inspirovaly takovou aplikaci vynikající mechanické vlastnosti mechanismu, jako je vyšší tuhost, poměr pevnosti k hmotnosti a vynikající manévrovatelnost. Pokusme se pochopit kinematika paralelního robota prostřednictvím Stewartovy platformy.

Stewart Platform se skládá z platformy užitečného zatížení a šesti lineárních pohonů nebo vzpěr. Ostatní konce vzpěr jsou připevněny k základně. A 3^o svoboda kloub a 2^o kloub svobody, nebo kloub 2-3 stupně volnosti, připojte jednu ze vzpěr k základu a podlaze. Platforma má šest stupňů volnosti, se třemi translačními a třemi rotačními stupni volnosti díky lineárnímu roztažení a zasunutí šesti akčních členů.

Inverzní Jacobova matice a její časové derivace jsou určeny pomocí uzavřených výrazů v kinematické analýze. Účinky různých uspořádání kloubů na konci podpěry jsou studovány přesným modelováním na kinematice a dynamice mechanismu.

Aby se odrážela kinematika a dynamika tuhého těla, běžně se používají Eulerovy úhly. K výpočtu směru tuhého tělesa po následných rotačních řetězcích použijeme řadu Eulerových úhlů (φ, θ, ψ):

1. Rotace φ kolem osy Z pohybujícího se souřadného systému.
2. Rotace θ kolem osy x pohybujícího se souřadnicového systému.
3. Otáčení ψ kolem osy z ”pohyblivého souřadného systému.

W je světový souřadnicový rámec a P je definován jako poziční vektor x = (X, Y, Z)^T, který je připevněn k pohyblivé plošině v referenčním bodě str_o.

q je zobecněný vektor souřadnic se šesti proměnnými k definování polohy a orientace platformy Stewart, který je uveden jako:

Souřadnice společného prostoru je definována jako

^wR_p je orientace rámu P vzhledem k W rotační maticí, ^wR_p = (r₁,r₂,r₃), kde r₁,r₂,r₃ jsou 3 × 1 jednotkové vektory vzhledem k P a W. Rámec X'-Y'-Z 'je nerotační souřadný systém, který interpretuje s tuhým tělem. Rám xyz je systém souřadnic těla, který se otáčí i překládá vzhledem k tuhému tělu. Mapování posledně jmenovaného na dřívějším souřadnicovém systému je vyvíjeno prostřednictvím rotační matice 3 × 3 zahrnující ^wR_p a φ, θ, ψ.

Kde c a s označují kosinus a sine.

Úhlová rychlost je vyjádřena jako ω = (ω_x, ω_y, ω_z)^T a α = (α_x, a_y, a_z)^T je úhlové zrychlení týkající se W. Po vyřešení první a druhé časové derivace Eulerových úhlů nám tedy

A

Paralelní robotická inverzní kinematika

Inverzní kinematický problém Stewartovy platformy zahrnuje výpočet posunů šesti spojení a jejich časových derivací pro danou karteziánskou pózu pohyblivé platformy, která má proměnné jako tři poziční posuny a tři Eulerovy úhlové posuny a jejich časové derivace.

a_i je i-tý bod připojení v P vzhledem k W, daný jako:

Pak vektor L_i nebo i-tý odkaz je získán jako:

Kde b_i je základní bod připojení.

Délka odkazu l_i i-tého odkazu je určeno jako:

Jednotkový vektor podél osy prizmatického spoje spoje i se vypočítá následovně

Na co se používají paralelní roboti? | Aplikace paralelních robotů

Parallel Robot najde mnoho aplikací v tomto odvětví, přičemž konvenční manipulátor paralelního robota, který se populárně používá v těchto zařízeních:

1. Simulátory letu
2. Simulace automobilů na pracovišti
3. orientace optických vláken / fotonika
4. Mikromanipulátory namontované na koncových efektorech větších, ale pomalejších sériových manipulátorů.
5. Vysokorychlostní / vysoce přesné frézky s vysokou rychlostí
6. Vysoce přesné umístění s minimálním pracovním prostorem, například při montáži desek plošných spojů

Paralelní roboti mají minimální pracovní prostor, protože se nemohou dostat přes překážky. Výpočty použité k provedení požadované manipulace (dopředná kinematika) jsou obvykle složitější. Mohou vyústit v několik řešení, čímž se tento problém dostane nad rámec tohoto článku.

Sérioví vs paralelní roboti | Jsou paralelní roboti přesnější než sériové roboty?

• O paralelních robotech se říká, že jsou ze své podstaty spolehlivější než sériové roboty, protože jejich chyby jsou spíš zprůměrovány než použity kumulativně.
• Chyby vstupu jsou u paralelních robotů méně citlivé než u sériových robotů. Rozsah této analogie je však příliš úzký, aby bylo možné vyvodit nějaké široké závěry.

Kromě toho je smysluplné rozlišování mezi jinými páry sériových a paralelních robotů téměř nemožné. Výsledkem je, že neexistuje žádné jasné řešení argumentu dominance.

Také čtení:

• Kuloví roboti
• Kloubové roboty
• Staňte se robotikem důležité dovednosti
• Vlastnosti robota na dálkové ovládání
• Jak postavit kritické komponenty robota
• Evoluce robotů
• Důležité vlastnosti robotického vidění
• Válcové roboty
• Kinematika robota dopředu inverzní

Esha Chakraborty

Mám vzdělání v Aerospace Engineering, v současné době pracuji na aplikaci robotiky v obranném a vesmírném průmyslu. Neustále se učím a moje vášeň pro výtvarné umění mě udržuje nakloněnou k navrhování nových inženýrských konceptů.
S tím, že roboti v budoucnu nahradí téměř všechny lidské činy, rád svým čtenářům jednoduchým, ale poučným způsobem přiblížím základní aspekty předmětu. Rovněž bych rád udržoval aktuální informace o pokroku v leteckém a kosmickém průmyslu současně.