Parallell manipulator
En parallell manipulator är ett mekaniskt system som använder flera datorstyrda seriekedjor för att stödja en enda plattform eller sluteffektor . Kanske är den mest kända parallella manipulatorn bildad av sex linjära ställdon som stödjer en rörlig bas för enheter som flygsimulatorer. Denna enhet kallas en Stewart-plattform eller Gough-Stewart-plattformen som ett erkännande av ingenjörerna som först designade och använde dem.
Även kända som parallella robotar , eller generaliserade Stewart-plattformar (i Stewart-plattformen är ställdonen ihopparade på både basen och plattformen), dessa system är ledade robotar som använder liknande mekanismer för att förflytta antingen roboten på dess bas, eller en eller flera manipulatorarmar . Deras "parallella" skillnad, i motsats till en seriell manipulator , är att ändeffektorn (eller "handen") av denna länkage (eller "arm") är direkt ansluten till dess bas med ett antal (vanligtvis tre eller sex) separata och oberoende länkar som arbetar samtidigt. Ingen geometrisk parallellism antyds.
Design egenskaper
En parallellmanipulator är utformad så att varje kedja vanligtvis är kort, enkel och därmed kan vara stel mot oönskad rörelse, jämfört med en seriell manipulator . Fel i en kedjas positionering beräknas i medeltal tillsammans med de andra, snarare än att de är kumulativa. Varje ställdon måste fortfarande röra sig inom sin egen frihetsgrad , som för en serierobot; Men i den parallella roboten begränsas flexibiliteten utanför axeln för en led också av effekten av de andra kedjorna. Det är denna slutna slingstyvhet som gör den övergripande parallella manipulatorn styv i förhållande till dess komponenter, till skillnad från seriekedjan som blir allt mindre stel med fler komponenter.
Denna ömsesidiga förstyvning tillåter också enkel konstruktion: Stewarts plattformshexapodkedjor använder prismatiska linjära ställdon mellan universalkulleder med vilken axel som helst . Kullederna är passiva: helt enkelt fria att röra sig, utan ställdon eller bromsar; deras position begränsas enbart av de andra kedjorna. Delta-robotar har basmonterade roterande ställdon som rör en lätt, styv parallellogramarm. Effektorn är monterad mellan spetsarna på tre av dessa armar och återigen kan den monteras med enkla kulleder. Statisk representation av en parallell robot liknar ofta den för en stiftförbunden fackverk : länkarna och deras manöverdon känner endast spänning eller kompression, utan någon böjning eller vridmoment, vilket återigen minskar effekterna av eventuell flexibilitet till krafter utanför axeln.
En ytterligare fördel med den parallella manipulatorn är att de tunga ställdonen ofta kan vara centralt monterade på en enda basplattform, varvid armens rörelse sker endast genom stag och leder. Denna minskning av massan längs armen tillåter en lättare armkonstruktion, alltså lättare ställdon och snabbare rörelser. Denna centralisering av massan minskar också robotens totala tröghetsmoment , vilket kan vara en fördel för en mobil eller gående robot .
Alla dessa funktioner resulterar i manipulatorer med ett brett utbud av rörelseförmåga. Eftersom deras handlingshastighet ofta begränsas av deras stelhet snarare än ren kraft, kan de vara snabbverkande, i jämförelse med seriemanipulatorer.
Lägre rörlighet
En manipulator kan flytta ett objekt med upp till 6 frihetsgrader (DoF), bestämt av 3 translations 3T och 3 rotations 3R koordinater för full 3T3R m obilitet. Men när en manipulationsuppgift kräver mindre än 6 DoF, kan användningen av manipulatorer med lägre rörlighet, med färre än 6 DoF, ge fördelar i form av enklare arkitektur, enklare kontroll, snabbare rörelse och lägre kostnad. Till exempel har 3 DoF Delta-roboten lägre 3T- rörlighet och har visat sig vara mycket framgångsrik för snabba plock-and-place translationella positioneringsapplikationer. Arbetsytan för manipulatorer med lägre rörlighet kan delas upp i "rörelse" och "begränsade" underutrymmen. Till exempel utgör 3 positionskoordinater rörelsedelutrymmet för 3 DoF Delta-roboten och de 3 orienteringskoordinaterna är i begränsningsunderrummet. Rörelseunderutrymmet hos manipulatorer med lägre rörlighet kan ytterligare sönderdelas i oberoende (önskade) och beroende underutrymmen: bestående av "konkomitant" eller "parasitisk" rörelse som är oönskad rörelse av manipulatorn. De försvagande effekterna av parasitiska rörelser bör mildras eller elimineras i den framgångsrika designen av manipulatorer med lägre rörlighet. Till exempel har Delta-roboten ingen parasitisk rörelse eftersom dess ändeffektor inte roterar.
Jämförelse med seriemanipulatorer
De flesta robotapplikationer kräver styvhet. Serierobotar kan uppnå detta genom att använda högkvalitativa roterande leder som tillåter rörelse i en axel men är stela mot rörelse utanför denna. Varje led som tillåter rörelse måste också ha denna rörelse under avsiktlig kontroll av ett ställdon. En rörelse som kräver flera axlar kräver således ett antal sådana leder. Oönskad flexibilitet eller slarv i en led orsakar en liknande slarv i armen, som kan förstärkas av avståndet mellan leden och slutverkaren: det finns ingen möjlighet att stödja en leds rörelse mot en annan. Deras oundvikliga hysteres och flexibilitet utanför axeln ackumuleras längs armens kinematiska kedja ; en seriell precisionsmanipulator är en kompromiss mellan precision, komplexitet, massa (för manipulatorn och de manipulerade objekten) och kostnad. Å andra sidan, med parallella manipulatorer, kan en hög styvhet uppnås med en liten massa av manipulatorn (relativt till den laddning som manipuleras). Detta möjliggör hög precision och hög hastighet av rörelser, och motiverar användningen av parallella manipulatorer i flygsimulatorer (hög hastighet med ganska stora massor) och elektrostatiska eller magnetiska linser i partikelacceleratorer (mycket hög precision vid positionering av stora massor).
En nackdel med parallella manipulatorer, i jämförelse med seriella manipulatorer, är deras begränsade arbetsyta. När det gäller seriemanipulatorer begränsas arbetsytan av designens geometriska och mekaniska gränser (kollisioner mellan benens maximala och minimala längder på benen). Arbetsytan begränsas också av förekomsten av singulariteter , som är positioner där variationen av benens längder för vissa rörelsebanor är oändligt mycket mindre än variationen av positionen. Omvänt, vid en singulär position, inducerar en kraft (som gravitation) som appliceras på sluteffektorn oändligt stora begränsningar på benen, vilket kan resultera i en sorts "explosion" av manipulatorn. Bestämningen av singularpositionerna är svår (för en allmän parallellmanipulator är detta ett öppet problem). Detta innebär att arbetsutrymmena för de parallella manipulatorerna vanligtvis är artificiellt begränsade till en liten region där man vet att det inte finns någon singularitet.
En annan nackdel med parallella manipulatorer är deras olinjära beteende: kommandot som behövs för att få en linjär eller en cirkulär rörelse av sluteffektorn beror dramatiskt på platsen i arbetsytan och varierar inte linjärt under rörelsen.
Ansökningar
Viktiga industriella tillämpningar av dessa enheter är:
- flygsimulatorer
- bilsimulatorer
- i arbetsprocesser
- fotonik / optisk fiberuppriktning
De har också blivit mer populära:
- i hög hastighet, hög noggrann positionering med begränsad arbetsyta, såsom vid montering av PCB
- som mikromanipulatorer monterade på ändeffektorn på större men långsammare seriemanipulatorer
- som höghastighets-/ högprecisionsfräsmaskiner
Parallella robotar är vanligtvis mer begränsade i arbetsytan; till exempel kan de i allmänhet inte nå runt hinder. Beräkningarna som ingår i att utföra en önskad manipulation (framåt kinematik) är också vanligtvis svårare och kan leda till flera lösningar.
Två exempel på populära parallella robotar är Stewart-plattformen och Delta-roboten .
Se även
Vidare läsning
- Gogu, Grigore (2008). Strukturell syntes av parallella robotar, del 1: Metodik . Springer. ISBN 978-1-4020-5102-9 .
- Gogu, Grigore (2009). Strukturell syntes av parallella robotar, del 2: Translationella topologier med två och tre frihetsgrader . Springer. ISBN 978-1-4020-9793-5 .
- Merlet, JP (2008). Parallel Robots, 2nd Edition . Springer. ISBN 978-1-4020-4132-7 .
- Kong, X.; Gosselin, C. (2007). Typsyntes av parallella mekanismer . Springer. ISBN 978-3-540-71989-2 .
- Gallardo-Alvarado, J. (2016). Kinematisk analys av parallella manipulatorer av algebraisk skruvteori . Springer. ISBN 978-3-319-31124-1 .
externa länkar
| Huvudartiklar |  |
|
|---|---|---|
| Typer | ||
| Klassificeringar | ||
| Förflyttning | ||
| Forskning | ||
| Relaterad | ||
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
- ^ Nigatu, Hassen; Choi, Yun Ho; Kim, Doik (2021-10-01). "Analys av parasitisk rörelse med begränsningen inbäddad Jacobian för en 3-PRS parallell manipulator" . Mekanism och maskinteori . 164 : 104409. doi : 10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409 . ISSN 0094-114X .
- ^ Nigatu, Hassen; Kim, Doik (2021-01-01). "Optimering av 3-DoF-manipulatorers parasitiska rörelse med den ögonblickliga begränsningen utrymmesbaserade analytiska kopplingsrelationen" . Yrkesvetenskap . 11 (10): 4690. doi : 10.3390/app11104690 .