Параллельный манипулятор

Абстрактный рендеринг платформы Hexapod (платформа Стюарта)

— Параллельный манипулятор это механическая система , которая использует несколько последовательных цепей, управляемых компьютером, для поддержки одной платформы или рабочего органа . Пожалуй, самый известный параллельный манипулятор состоит из шести линейных приводов, поддерживающих подвижное основание для таких устройств, как авиасимуляторы. Это устройство называется платформой Стюарта или платформой Гофа-Стюарта в честь инженеров, которые первыми спроектировали и применили его. ^[1]

Также известные как параллельные роботы или обобщенные платформы Стюарта (в платформе Стюарта приводы спарены вместе как на основании, так и на платформе), эти системы представляют собой шарнирно-сочлененные роботы , которые используют аналогичные механизмы для движения либо робота на своей базе, или один или несколько рычагов манипулятора . Их «параллельное» отличие от последовательного манипулятора состоит в том, что концевой эффектор (или «рука») этого рычага (или «рука») напрямую соединен с его основанием несколькими (обычно тремя или шестью) отдельными и независимые связи, работающие одновременно. Никакого геометрического параллелизма не предполагается.

Особенности конструкции

Параллельный манипулятор сконструирован таким образом, что каждая цепь обычно короткая, простая и, таким образом, может быть устойчива к нежелательному движению по сравнению с последовательным манипулятором . Ошибки в позиционировании одной цепи усредняются вместе с другими, а не суммируются. Каждый привод по-прежнему должен двигаться в пределах своей степени свободы , как и серийный робот; однако в параллельном роботе внеосевая гибкость сустава также ограничивается влиянием других цепей. Именно эта жесткость замкнутого контура делает весь параллельный манипулятор жестким по отношению к его компонентам, в отличие от последовательной цепи, которая становится все менее жесткой с увеличением количества компонентов.

Такое взаимное усиление также обеспечивает простоту конструкции: в цепях с шестигранными опорами на платформе Стюарта используются с призматическими шарнирами линейные приводы по любой оси между универсальными шаровыми шарнирами . Шаровые шарниры пассивны: они могут свободно перемещаться, без приводов и тормозов; их положение ограничено исключительно другими цепочками. Роботы Delta имеют установленные на основании поворотные приводы , которые перемещают легкий, жесткий параллелограммный рычаг. Эффектор устанавливается между кончиками трех таких рычагов и опять-таки может быть закреплен с помощью простых шаровых шарниров. Статическое представление параллельного робота часто похоже на представление шарнирной фермы : 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 одним преимуществом параллельного манипулятора является то, что тяжелые приводы часто могут быть установлены по центру на одной базовой платформе, при этом движение руки происходит только через стойки и шарниры. Такое уменьшение массы вдоль рычага позволяет сделать его более легкой конструкцией, а значит, более легкими приводами и более быстрыми движениями. робота Такая централизация массы также снижает общий момент инерции , что может быть преимуществом для мобильного или шагающего робота .

Все эти особенности позволяют создавать манипуляторы с широким диапазоном возможностей перемещения. Поскольку скорость их действия часто ограничивается их жесткостью, а не просто силой, они могут действовать быстро по сравнению с серийными манипуляторами.

Низкая мобильность

Манипулятор может перемещать объект со степенью свободы до 6 (DoF), определяемой тремя координатами перемещения 3T и тремя координатами вращения 3R для полной подвижности 3T3R . Однако, когда для задачи манипулирования требуется менее 6 степеней свободы, использование манипуляторов с меньшей мобильностью (менее 6 степеней свободы) может принести преимущества с точки зрения более простой архитектуры, более легкого управления, более быстрого движения и более низкой стоимости. ^[2] Например, 3 DoF Delta. ^[3]^[4] Робот имеет меньшую подвижность 3Т и оказался очень успешным для приложений быстрого перемещения и поступательного позиционирования. Рабочее пространство манипуляторов с низкой мобильностью можно разложить на подпространства «движения» и «ограничений». Например, 3 координаты положения составляют подпространство движения робота Delta с 3 степенями свободы, а 3 координаты ориентации находятся в подпространстве ограничений. Подпространство движения манипуляторов с меньшей подвижностью может быть дополнительно разложено на независимые (желаемые) и зависимые подпространства: состоящие из «сопутствующего» или «паразитного» движения, которое представляет собой нежелательное движение манипулятора. ^[5]^[6]^[7] Изнурительные эффекты паразитного движения должны быть смягчены или устранены при успешной разработке манипуляторов с меньшей подвижностью. Например, робот Дельта не имеет паразитного движения, поскольку его рабочий орган не вращается.

Сравнение с серийными манипуляторами

Большинство применений роботов требуют жесткости. Серийные роботы могут добиться этого, используя высококачественные вращающиеся соединения, которые допускают движение по одной оси, но устойчивы к движению за ее пределами. Любое совместное разрешающее движение должно также осуществляться под преднамеренным контролем исполнительного механизма. Таким образом, движение, требующее нескольких осей, требует ряда таких суставов. Нежелательная гибкость или неряшливость в одном суставе вызывает аналогичную неряшливость в руке, которая может усиливаться за счет расстояния между суставом и рабочим органом: нет возможности фиксировать движение одного сустава относительно другого. Их неизбежный гистерезис и внеосевая гибкость накапливаются вдоль кинематической цепи руки ; прецизионный серийный манипулятор представляет собой компромисс между точностью, сложностью, массой (манипулятора и объектов манипулирования) и стоимостью. С другой стороны, при использовании параллельных манипуляторов можно получить высокую жесткость при малой массе манипулятора (относительно манипулируемого заряда). Это обеспечивает высокую точность и высокую скорость движений и мотивирует использование параллельных манипуляторов в имитаторы полета (высокая скорость с достаточно большими массами) и электростатические или магнитные линзы в ускорителях частиц (очень высокая точность позиционирования больших масс).

Недостатком параллельных манипуляторов по сравнению с последовательными является ограниченность рабочего пространства. Что касается серийных манипуляторов, то рабочее пространство ограничено геометрическими и механическими ограничениями конструкции (соударения между опорами максимальной и минимальной длины опор). Рабочее пространство также ограничено наличием сингулярностей — положений, в которых для некоторых траекторий движения изменение длин ног бесконечно меньше изменения положения. И наоборот, в особом положении сила (например, гравитация), приложенная к рабочему органу, вызывает бесконечно большие ограничения на ноги, что может привести к своего рода «взрыву» манипулятора. Определение особых положений затруднено (для обычного параллельного манипулятора это открытая задача). Это означает, что рабочее пространство параллельных манипуляторов обычно искусственно ограничено небольшой областью, в которой известно, что сингулярности нет.

Еще одним недостатком параллельных манипуляторов является их нелинейное поведение: команда, необходимая для получения линейного или кругового движения рабочего органа, существенно зависит от местоположения в рабочем пространстве и не меняется линейно в процессе движения.

Приложения

Основными промышленными применениями этих устройств являются:

авиасимуляторы
автомобильные симуляторы
в рабочих процессах
фотоника / оптического волокна выравнивание ^[10]

Они также стали более популярными:

при высокоскоростном и высокоточном позиционировании с ограниченным рабочим пространством, например, при сборке печатных плат
как микроманипуляторы, установленные на концевом эффекторе более крупных, но более медленных серийных манипуляторов.
как высокоскоростные/высокоточные фрезерные станки

Параллельные роботы обычно более ограничены в рабочем пространстве; например, они обычно не могут обойти препятствия. Расчеты, необходимые для выполнения желаемой манипуляции (прямая кинематика), также обычно более сложны и могут привести к множеству решений.

Двумя примерами популярных параллельных роботов являются платформа Стюарта и робот Дельта .

См. также

Ссылки

^ Мерле, JP (2008). Параллельные роботы, 2-е издание . Спрингер. ISBN 978-1-4020-4132-7 .
^ Ди, Раффаэле (01 декабря 2006 г.), Куберо, Сэм (редактор), «Параллельные манипуляторы с пониженной подвижностью» , « Промышленная робототехника: теория, моделирование и управление» , Pro Literatur Verlag, Германия / ARS, Австрия, doi : 10.5772/ 5030 , ISBN 978-3-86611-285-8 , получено 3 декабря 2020 г.
^ Устройство для перемещения и позиционирования элемента в пространстве, Р. Клавель - Патент США 4976582, 1990 г.
^ Р. Клавель, Дельта: быстрый робот с параллельной геометрией, Proc 18th Int Symp Ind Robots; Сидней, Австралия (1988), стр. 91–100.
^ Нигату, Хассен; Йихун, Йимескер (2020), Ларошель, Пьер; Маккарти, Дж. Майкл (ред.), «Алгебраический взгляд на сопутствующее движение 3RPS и 3PRS PKMS» , Материалы симпозиума USCToMM 2020 года по механическим системам и робототехнике , механизмам и машиноведению, том. 83, Чам: Springer International Publishing, стр. 242–252, номер документа : 10.1007/978-3-030-43929-3_22 , ISBN. 978-3-030-43928-6 , S2CID 218789290 , получено 13 декабря 2020 г.
^ Нигату, Хассен; Чхве, Юн Хо; Ким, Дойк (01 октября 2021 г.). «Анализ паразитного движения с включенным в ограничения якобианом для параллельного манипулятора с 3 PRS» . Теория механизма и машин . 164 : 104409. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409 . ISSN 0094-114X .
^ Нигату, Хассен; Ким, Дойк (01 января 2021 г.). «Оптимизация паразитного движения манипуляторов с 3 степенями свободы с помощью мгновенного ограничения пространственного аналитического соотношения связи» . Прикладные науки . 11 (10): 4690. дои : 10.3390/app11104690 .
^ «DexTAR — образовательный параллельный робот» . Архивировано из оригинала 29 мая 2014 г.
^ «Sketchy, самодельный робот-рисунок» . Джаркман.
^ «Выравнивание активных и пассивных волокон» . Архивировано из оригинала 11 декабря 2006 г. Проверено 29 марта 2007 г.

Дальнейшее чтение

^[1]^[2] Параллельный манипулятор с паразитным движением.
Гогу, Григоре (2008). Структурный синтез параллельных роботов. Часть 1: Методология . Спрингер. ISBN 978-1-4020-5102-9 .
Гогу, Григоре (2009). Структурный синтез параллельных роботов. Часть 2: Трансляционные топологии с двумя и тремя степенями свободы . Спрингер. ISBN 978-1-4020-9793-5 .
Мерле, JP (2008). Параллельные роботы, 2-е издание . Спрингер. ISBN 978-1-4020-4132-7 .
Конг, X.; Госселин, К. (2007). Типовой синтез параллельных механизмов . Спрингер. ISBN 978-3-540-71989-2 .

Галлардо-Альварадо, Дж. (2016). Кинематический анализ параллельных манипуляторов с помощью алгебраической теории винтов . Спрингер. ISBN 978-3-319-31124-1 .

Внешние ссылки

^ Нигату, Хассен; Чхве, Юн Хо; Ким, Дойк (01 октября 2021 г.). «Анализ паразитного движения с включенным в ограничения якобианом для параллельного манипулятора с 3 PRS» . Теория механизма и машин . 164 : 104409. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409 . ISSN 0094-114X .
^ Нигату, Хассен; Ким, Дойк (01 января 2021 г.). «Оптимизация паразитного движения манипуляторов с 3 степенями свободы с помощью мгновенного ограничения пространственного аналитического соотношения связи» . Прикладные науки . 11 (10): 4690. дои : 10.3390/app11104690 .

[1] Мерле, JP (2008). Параллельные роботы, 2-е издание . Спрингер. ISBN 978-1-4020-4132-7 .

[2] Ди, Раффаэле (01 декабря 2006 г.), Куберо, Сэм (редактор), «Параллельные манипуляторы с пониженной подвижностью» , « Промышленная робототехника: теория, моделирование и управление» , Pro Literatur Verlag, Германия / ARS, Австрия, doi : 10.5772/ 5030 , ISBN 978-3-86611-285-8 , получено 3 декабря 2020 г.

[3] Устройство для перемещения и позиционирования элемента в пространстве, Р. Клавель - Патент США 4976582, 1990 г.

[4] Р. Клавель, Дельта: быстрый робот с параллельной геометрией, Proc 18th Int Symp Ind Robots; Сидней, Австралия (1988), стр. 91–100.

[5] Нигату, Хассен; Йихун, Йимескер (2020), Ларошель, Пьер; Маккарти, Дж. Майкл (ред.), «Алгебраический взгляд на сопутствующее движение 3RPS и 3PRS PKMS» , Материалы симпозиума USCToMM 2020 года по механическим системам и робототехнике , механизмам и машиноведению, том. 83, Чам: Springer International Publishing, стр. 242–252, номер документа : 10.1007/978-3-030-43929-3_22 , ISBN. 978-3-030-43928-6 , S2CID 218789290 , получено 13 декабря 2020 г.

[6] Нигату, Хассен; Чхве, Юн Хо; Ким, Дойк (01 октября 2021 г.). «Анализ паразитного движения с включенным в ограничения якобианом для параллельного манипулятора с 3 PRS» . Теория механизма и машин . 164 : 104409. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409 . ISSN 0094-114X .

[7] Нигату, Хассен; Ким, Дойк (01 января 2021 г.). «Оптимизация паразитного движения манипуляторов с 3 степенями свободы с помощью мгновенного ограничения пространственного аналитического соотношения связи» . Прикладные науки . 11 (10): 4690. дои : 10.3390/app11104690 .

[8] «DexTAR — образовательный параллельный робот» . Архивировано из оригинала 29 мая 2014 г.

[9] «Sketchy, самодельный робот-рисунок» . Джаркман.

[10] «Выравнивание активных и пассивных волокон» . Архивировано из оригинала 11 декабря 2006 г. Проверено 29 марта 2007 г.

[11] Нигату, Хассен; Чхве, Юн Хо; Ким, Дойк (01 октября 2021 г.). «Анализ паразитного движения с включенным в ограничения якобианом для параллельного манипулятора с 3 PRS» . Теория механизма и машин . 164 : 104409. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409 . ISSN 0094-114X .

[12] Нигату, Хассен; Ким, Дойк (01 января 2021 г.). «Оптимизация паразитного движения манипуляторов с 3 степенями свободы с помощью мгновенного ограничения пространственного аналитического соотношения связи» . Прикладные науки . 11 (10): 4690. дои : 10.3390/app11104690 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[1]

[2]

v т и Робототехника
Основные статьи	Контур Глоссарий Индекс История География зал славы Этика Законы Соревнования AI-соревнования
Типы	Аэробот Антропоморфный Гуманоид Андроид Киборг Гиноид Клейтроника Компаньон Автомат Аниматроник Аудио-Аниматроника Промышленный шарнирно-сочлененный рука Одомашненный Образовательный Развлечение Жонглирование Военный Медицинский Услуга Инвалидность Сельскохозяйственный Общественное питание Розничная торговля ЛУЧ робототехники Мягкая робототехника
Классификации	Биороботика Облачная робототехника Континуумный робот Беспилотный автомобиль антенна земля Мобильный робот Микроботика Наноробототехника Некроботика Роботизированный космический корабль Космический зонд Рой Телеробототехника Подводный дистанционно управляемый Роботизированная рыба
Передвижение	Треки Прогулка Шестиногий Восхождение Электрический одноколесный велосипед Роботизированные плавники
Навигация и картографирование	Планирование движения Одновременная локализация и картографирование Визуальная одометрия Роботизированные системы с визуальным управлением
Исследовать	Эволюционный Комплекты Симулятор Люкс с открытым исходным кодом Программное обеспечение Адаптируемый развивающий Взаимодействие человека и робота Парадигмы Перцептивный Расположен Вездесущий
Компании	Амазонка Робототехника Эниботы Барретт Технолоджи Бостон Динамикс Энергид Технологии FarmWise ФАНУК цифры ИИ Фостер-Миллер Автоматизация сбора урожая Пчелиная робототехника Интуитивный хирургический IРобот ПЛАКАТЬ Звездолетные Технологии Симботический Универсальная робототехника Волк Робототехника Яскава
Связанный	Критика работы Активный экзоскелет Безопасность робототехники на рабочем месте Роботизированный технический жилет Технологическая безработица Проходимость Вымышленные роботы
Категория Контур