机器人与计算机集成制造

学院专业姓名学号任课教师机器人与计算机集成制造一个六自由度可重构的混合并联机器臂摘要本文提出了一种被称为ReSI-BOT的可重构的混合并联机器人的案例研究。为了可持续制造，它解决了可重构6自由度并行机制的领域。它还具有一个自重构的架构。一个系统分析包括运动学、常数取向工作区,奇点和刚度，详细开发此系统分析。为了揭示了所研究架构的一些独特的特点，讨论了有趣的功能。加权刚度、灵活性和工作空间体积是衡量多目标优化过程的性能指标。关键词：可重构的并联机器臂；混合机器人；并联运动；设计优化；六自由度1.简介在过去六十多年，机器人已经吸引了许多研究者。针对不同的应用程序的串行机器人，做出了许多努力。最近，并联机器人的领域开始显现出它的优势。并联机构(PMs)优于串行机构许多，有些典型的特点高载荷/重量比、速度、精度、刚度、低惯性。在研究文献中，有人提出很多参数[1,2]。在大的平行配置目录中，这些参数可以找到[3,4]。抛开这一事实，并联机器人的发展一般比一个串联机器人更复杂[3,5]，普遍接受的缺点，并联机器人具有较小工作空间和较复杂的运动奇异点[6]。为了解决制造业的灵活性的需要,研究了可重构并联机器人系统。绝大多数的这些提议系统具有较低的流动机制。这里有几个例外[7,8]，没有一个是混合设计。因此，具有柔性和可重构制造机器人相关的艺术研究状况主要限于三至五自由度的并联机器人。尽管这是事实，发展到目前为止最成功的、成熟的、通用的并联机器人是斯图尔特平台（SP），此平台本身具有的六自由度[9]。我们相信，研究的可重构机器人系统有超过五自由度,混合动力的优势。本文提出了一种被称为ReSI-BOT的混合并联机器人，它有6个自由度的可重构的机械臂。在文献[10,11]中，提出了相关的先进机械臂的设计。一个主要差异是设计的机械臂具有固有的重构性质，过去的研究设计不具有可重构性。重构的机械臂设计的优点是大的，它允许在混合链的第一个关节是半活动重构。在没有人为操作的干预下，这使得机械性能被动地改变，如工作空间和被动刚度。这为这样一个设计的调查提供了充足的动机。由于它的特性，设想这样的设计可能成为一个可重构制造工厂的一部分，作为一个机器人加工中心的一部分。它固有的优势，混合性（较大的工作空间）和自我重构性（一些变化的属性）可以帮助弥补实验室和工业之间的差距。2.现代技术本节简要概述了目前最先进的与ReSI-BOT相关的现代技术。在柔性和可重构制造业，一些可重构的并联机器人系统已进行了研究。一些可以在这些文献中找到[12-1578]。从本质上讲,这些可重构机器人系统是并联机构,可以调整架构,以实现不同的运动属性。提出的机器人相关的并联机器臂的运动学和结构的研究在这些文献[16-18]中可以找到。在这个文献中[16]中，精度是研究的重点。作者探讨了并行机器人架构的使用，以推进微系统的自动化。由于微电子传感器领域的大发展，有许多潜在的应用。此外，有趣的是，在这个文献中[18]提出的混合设计的合成。该方法是基于杆组的基本构建块。此外，也有一些有趣的混合设计的研究。在这些文献中，一些混合型并联机器人已经提出[10,6,19,11,20,21]。Merlet[3]将混合结构分为两类。机械臂的行为类似于Alizade[10]提出的结构是一个类别和机械臂的行为类似于这个文献中[19]提出的结构作为另一个类别。并联机器人结构的奇异性分类是设计和功能的重要元素，研究者围绕这一主题和许多参数[3,22–26]。目前的研究与Ebert-Uphoff等人的研究直接相关。在这个文献[23]中他提出了一类特殊的机器人可以通过分析特征的四面体分析。同时,并联机器臂的工作空间计算的相关研究可以在这些文献中[27，28]找到。很多时候,在确定工作区时考虑奇异点分析。在设计和现有的分析中，并联机器臂的刚度是一个重要测量参数。这是一个规范的假设，该机制的灵活性是局部的活动关节。然后，笛卡尔刚度将取决于直接的端部执行器的状态。假定连接是完美的完全刚性和被动关节[29]。对于串行机械臂,这个构想来源于Salisbury[30]的工作,由Gosselin扩展到并联机器臂[31]。3.流动性和几何描述图1显示了ReSl-Bot，它由三个肢体组成。每个肢体都是相同的，有两个转动关节，一个移动关节,一个球形关节。它们排列的顺序标准（转动–转动–棱柱–球形）在第一转动副和移动关节的驱动。重要地是设计采用了齿轮传动系统，使机器人机械臂能够重构。如图1所示，重构的主要驱动是中央圆锥齿轮。这个中心锥齿轮带动其他三个锥齿轮，这三个锥齿轮分别连接到一个梯形螺纹系统，该系统驱动第一旋转关节的垂直轴和整个第一环节。图1并联机器臂设计（配置A）摆杆并联机器人缩写为ReSl-Bot。重要地是，由于机器人的固有的设计，一旦第一个转动关节的垂直轴足够地驱动基地的外部，摆杆必须旋转1800以提供了一个有趣的选择配置。在本文中，这只是表示配置B与图1中A相对。在图2中，随着移动平台插图中心。此配置的一个详细的渲染可以观察到。图2并联机器臂设计（配置B）根据ReSl-Bot的机动性得到了著名的Grübler方程F=λ(n−j−1)+∑𝑓𝑖𝑖=1(1)λ是运动参数，N是链接的数量，j是节点的数量，节点j所允许的相对运动自由度。根据上述公式求得ReSl-Bot有六个自由度。4.运动学和速度模型4.1逆运动学对于逆运动学问题，构造一个向量原理如图3所示。基础框架O是固定的,由坐标[x,y,z]组成；然而移动平台有一个框架M，连着它坐标[x′,y′,z′]。𝜃𝑖和𝑙𝑖是第i个肢体的驱动关节变量,𝑃̂=𝑂𝐸𝑖̅̅̅̅̅是移动平台的位置矢量，𝑟𝑖̂=𝐸𝑖𝐷𝑖被定义为移动平台的中心到第i球形接头的向量，𝑎𝑖̂=𝑂𝐵𝑖⃗⃗⃗⃗⃗⃗是从固定坐标系统的中心到摆臂的第一个旋转接头的向量，𝑏𝑖̂=𝐵𝑖𝐴𝑖⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗是沿摆臂长度的向量，𝑙𝑖̂=𝐴𝑖𝐷𝐼⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗是第i个棱臂长度向量。重要的运动学推导是向量𝐸𝑖𝐷𝑖。图3矢量表示（表示矢量符号和螺钉）这个向量的方向是直接与移动平台的方向一致。因此,如果用欧拉角表示移动平台的方向,可以写出关系式：𝑟𝑖̂=[𝑀𝑂𝑅]𝑟𝑏𝑖̂(2)其中𝑀𝑂𝑅是指由偏航旋转矩阵，框架O相对于框架M的roll(ψ,θ,ϕ)的函数和俯仰角，𝑟𝑏𝑖̂表示框架M中向量𝐸𝑖𝐷𝑖。给出闭环方程式如下：如图3ReSl-Bot的结构概述如下：在这i=1、2、3。值得注意的是,设计自身重构，向量𝑎𝑖̂的长度是取相同的i=1,2,3。在整个三肢中，向量B的长度也保持不变。在方程（4）中，笛卡尔组件给出相应的向量的下标𝑥𝑖，𝑦𝑖和𝑧𝑖分别对应于第i个关节x，y和z组件。方程（4a）和(4b)可以用来推导出第i关节驱动变量𝜃𝑖的关系。给出直接关系如下：同时考虑象限，可以直接用于逆向运动学。方程(4a)和(4b)的平方，结合方程(4c)直接导致如下式：上述公式与驱动关节变量有关,𝑙𝑖间接作为一个函数(Px,Py,Pz,ψ,θ,ϕ)。±是两个解决方案,或者两种工作模式。一个是指这种关系，因为它是间接的，因为它被简化了；向量组,𝑟𝑥𝑖,𝑟𝑦𝑖,𝑟𝑧𝑖是关于欧拉角的非线性函数，这是由方程（2）决定。因此,确切的表达了简洁形式的逆运动学模型(IKM)确如下:圆弧的限象点2代表应该考虑象限圆弧。在方程(7b)中，物理移动驱动器已被确认工作模式。4.2.逆螺旋的雅可比公式传统上，并联机器人的机械手的雅可比矩阵分析是直接由向量回路方程的时间导数求得。然而，关于一些机构，包括本文研究的一个相互螺旋的方法提供了更多的洞察力。这种方法还避免了繁琐的参数化错误和允许精确和奇点类型的完整描述。在Plücker轴坐标中，为每个ReSl-Bot平台的三个肢体扭曲可以写成如下公式:在这𝑄𝑖和𝑃𝑖是主动和被动关节螺钉[23],𝑞𝑖̇和𝜑𝑖̇是主动和被动关节的斜率。使双扳手𝑤𝑖在普吕克射线坐标中倒数的被动关节螺钉,在方程(8)中可以消除被动斜率，通过自左乘𝑤𝑖𝑇。这是一种表达形式。第一步确定逆螺丝的雅可比矩阵的方法是确定与每个肢体关节所有相关的瞬时扭转。定义一个瞬时参考系后,扭转由如下式给出：在这是扳手矩阵。方程（9）中，移动平台的速度与执行器速率有关。其形式类似于文献[32]首先提出了著名的形式，其中一个是称为瞬时运动学矩阵（或扳手矩阵如果方程直接以螺旋形式）和B表示的瞬时运动学逆矩阵。在方程式（9）中，两矩阵A和B的雅可比矩阵是螺旋形式。第一步确定互惠螺丝的雅可比矩阵的方法是确定与每个肢体关节的所有相关的瞬时扭曲。定义一个瞬时参考系后,给出了扭曲公式如下：在这对应的扳手系统，也就是说现在可以制定扭转系统。在每个肢体中，提出了可重构并联结构双重驱动,因此预计两个逆螺丝。ReSl-Bot的两个螺丝的倒数第i个肢体的关节可以得到两个公式：可以通过计算相互条件进行验证。这些螺钉扳手形成了屈服𝑤𝑖的2系统。因此,现在可以确定形式的方程（9）的关系。简化后，使用𝑤𝑖，可以得到第i个肢体的速度方程。结果给出了如下：在这和。方程式（13）是方程式（9）完整的速度关系式的改进。通过逆扳手螺钉获得（6x6）A和B的雅克比矩阵。5.奇异性分析在本文中奇点分为两类，方程式（13）有助于识别和分化的类型。这些类型是:1.扭转奇点（1型奇点）2.扳手奇异性（2型奇异性）第一类称为扭曲奇异点的奇异性与串行机制。当这种情况发生时，机器人的肢体失去至少一个自由度，从而限制了移动平台的运动至少有一个自由度。这些类型的奇异性以及它们如何适用于串行机器人应用程序，这些在文献中都有详细地研究。第二种类型被称为扳手奇异只存在于平行或混合的并行机制，本质上是更复杂的。这种类型的奇异性限制了PM的能力等同于静态负载。也就是说，移动平台是能够移动的瞬时运动，即使所有的致动器被固定化，并获得至少一个自由度。它们有时被称为平台的奇异性，并避免了所有成本。下面的定理概述了1型和2型奇异配置。定理1.ReSl-Bot拥有类型1的配置当满足以下关系:证明1.PMS的1型奇点的枚举是通过瞬时运动学逆矩阵B得到。在此，我们将说明，当这个矩阵是奇异的；然后，在PM中，存在一个类型1的奇异性。对ReSlBot来说，每个运动肢体存在其中的一个。也就是说，如果瞬时逆运动学矩阵的代数行列式为零（det(B)=0）那么关系式有非平凡解对应于。这一结果纯粹源于方程中增强版B代数行列式。本质上观察,1型奇点发生任何Z值,因此在工作区中创建三个“行”它们会出现在哪里。定理2.ReSl-Bot拥有2类型的奇异构型时,下面是满意条件。依赖于可重构体系结构,ReSl-Bot必须满足下列标准为了有2类型奇异的配置。1.每一个肢体的关节都在物理范围内2.其中证明2.获得或失去某种程度的自由的说明可用于2型奇点的分析。为此,我们可以在数学上检查方程，或方程的变量。如果直接运动学矩阵是奇异的（det（A）=0）关系式存在一个非平凡解。也就是说，当𝑞̇=0时，𝑥̇≠0有一个解。因此,移动平台获得一个无法控制的自由度。因此,类似于第一个证明,必须确定瞬时运动矩阵A的行列式。由于这个矩阵的复杂性,直接解析解是不实际的或没有意义的。因此,寻求一种间接方法。值得注意的是,在文献[23]中ReSl-Bot进行了分类。2型奇点可以直接关系到四面体的奇异性特征。特征的四面体的演绎涉及由在平面上每个肢体。这些力量铅笔创建三个单独的飞机穿过每个球形关节。合并这三个平面与移动平台平面创建特征四面体。这些力量铅笔创建三个单独的平面，穿过每个球形关节。合并这三个平面与移动平台平面创建特征四面体。如果四面体的四个面是由a,b,c和d(平台)表示和一个点的坐标用𝑥ℎ表示，平面的齐次形式的方程可以写为正如文献[23]中的证明，方程(15)的奇异情况相当于奇点的机器人的结构。当[abcd]=