并联运动学:定义、优点和示例

KI-generierte Symbolaufnahme: Ingenieur erklärt eine parallelkinematische Hexapod-Plattform [图像内容由人工智能生成]

并联运动学描述了一种机器人或机器结构,其中多个运动链同时引导移动平台。与经典的机器人手臂不同,这些关节并不是一个接一个的。多个支柱或臂将固定底座连接到移动元件,并共同承担确定其位置和方向的任务。

什么是并联运动学?

并联运动具有闭合运动链。可移动平台 – 通常称为末端执行器平台 – 通过几个独立的链条连接到底座。每根绞线均由接头、连杆以及一个或多个主动驱动器(具体取决于结构)组成。所有驱动器必须协调工作,以便平台执行所需的运动。

典型的设计有:台达机器人用于快速拾取和放置任务以及六足机器人或斯图尔特平台,其中六个可调节支柱可以在空间上移动平台。因此,并联运动学不是单一类型的机器人,而是具有不同几何形状和自由度的设计原理。

并联运动学与串联运动学有何不同?

在串行运动学中,一个关节跟随下一个关节:最后一个连杆的运动取决于所有先前的轴。经典的关节型机器人就是一个典型的例子。然而,对于并联运动学,有几条路径从底座通向平台。这显着改变了力的流动、刚度、控制和工作空间。

特征 并联运动学 串行运动学
结构 几条封闭的链条通向一个平台。 开链:接头和链环一前一后。
力和负载分布 负载可以分布在几股线上。 更远的轴通常带有以下链接。
移动质量 驱动器可以靠近底座;可以促进动态。 电机和变速箱根据结构随您移动。
工作空间 通常更加有限并且严重依赖于几何形状。 通常更灵活,具体取决于机器人手臂。
转向 几何、耦合和奇点需要特别注意。 链结构的建模通常更直观。

比较并非一般排名。哪种结构更适合取决于任务、负载、加速度、安装空间、所需的精度和安全概念。其他设计的基础知识在文章中进行了解释串行运动学。

并联运动为什么能做到精确、动态?

多根绳索同时支撑平台。这使得结构在合适的工作区域保持刚性并实现高加速度。在许多设计中,重型驱动器保留在底座上,而仅移动支柱和平台。这减少了移动质量并可以支持快速、可重复的移动。

然而,这些属性不会自动出现。关节间隙、支柱弹性、校准、控制、负载变化和特定几何形状都会影响实际达到的精度。即使是精确的机制也需要传感器、适当的控制以及在真实条件下的验证。

自由度和末端执行器的作用

自由度描述平台可以执行哪些独立运动:沿空间轴的位移和绕这些轴的旋转。根据其设计,六足机器人可以提供六个自由度。另一方面,Delta 机器人通常设计用于快速平移运动,并且可以补充额外的轴。

机器最终实际加工或抓取的东西会被照顾到末端执行器。设计时必须考虑其质量、电缆布线和工艺力。有关如何计算机器人运动选项的更多信息,请参阅术语表自由度 (DoF)。

并联运动学用在什么地方?

并联运动系统用于需要快速、刚性或精确地执行明确定义的运动的情况。例子有:

  • 包装、装配和食品技术中的拾放,例如使用 Delta 机器人
  • 定位和测试系统
  • 飞行模拟器和运动平台
  • 机床和加工系统,例如带有六足位移台或五足位移台的机床和加工系统
  • 专业医疗和光学定位任务

边界:工作空间、碰撞和奇点

并联运动学带来了设计挑战。支柱可能会互相妨碍或妨碍环境;因此,可用的工作空间通常比机器人手臂更复杂。还有一些奇点:小的运动或力可能导致难以控制的效果或平台失去运动方向的配置。在设计、路径规划和控制中必须已经考虑到这些领域。 如需从市场层面进行比较,机器人企业图谱汇总了制造商与技术平台的结构化信息。

正向运动学也可能要求很高。虽然逆向任务(根据所需的平台姿态确定所需的驱动值)对于特定机器来说通常很容易处理,但从关节支架计算平台姿态可能需要多个解决方案或数值工作。这就是为什么校准、碰撞测试和边界区域监测是实际操作的一部分。

这弗劳恩霍夫IEM将并联运动系统描述为几个执行器,引导平台进行精确、快速的运动。这弗劳恩霍夫国际联合会展示了该原理在机床中的应用,并解释了低移动质量、速度和加速度之间的联系。

结论

并联运动学在多个闭合链条上引导可移动平台。如果设计得当,它可以实现高动态性和刚性,但对几何形状、控制和安全考虑提出了很高的要求。对于明确定义的、快速或精确的运动任务,它是串行运动学的有力替代方案 – 而不是全面替代。

有关并联运动学的常见问题

简单解释一下并联运动学是什么?

多个机械臂或支柱一起移动并引导平台。它们并行工作,而不是作为彼此后面的单个链。

并联运动学和串联运动学有什么区别?

在串行运动学中,关节遵循开链。通过并行运动学,多个闭合链条将底座连接到一个公共平台。

什么是六足位移台?

六足机构是一种常见的并联运动机构,具有六个可调节支柱,可以对平台进行空间定位和定向。

Delta机器人为什么这么快?

在许多 Delta 机器人中,驱动器仍然靠近底座。因此,移动部件可以很轻,从而实现高加速度。

并联运动有什么缺点吗?

是的。工作空间、碰撞和奇点可能会限制使用。设计和控制在很大程度上取决于各自的几何形状。

并联运动学用在什么地方?

除其他外,它还用于快速拾放系统、定位和测试系统、模拟器和机床。

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