Параллельный робот

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Параллельный робот — механическая система, использующая несколько последовательных цепей с компьютерным управлением для поддержки одной платформы или концевого эффектора. То есть параллельный робот обладает рабочим звеном, связанным с основанием несколькими кинематическими цепями с несколькими приводами, или налагающим связи на движения робота.

У такой структуры в отличие от открытой у обычных роботов — замкнутые кинематические цепи, а работают они как пространственные фермы, что повышает точность, надежность и быстродействие.

Пример платформы Стюарта.

Самый известный параллельный робот — платформа Гофа-Стюарта, названный в честь инженеров-разработчиков[1]. У робота шесть степеней подвижности, а исполнительные механизмы попарно соединены как на основании, так и на платформе. Такой шарнирно-сочлененный робот использует аналогичные механизмы для перемещения либо самого робота на основании, либо одной или нескольких рук-манипуляторов.

От последовательного робота параллельный отличается тем, что концевой эффектор («рука» или «рабочий орган») манипулятора непосредственно связан с его основанием несколькими (обычно тремя или шестью) отдельными и независимыми связями, работающими одновременно. Никакой параллельности в геометрическом смысле в таких роботах не подразумевается.

Конструктивные особенности[править | править код]

В конструкции параллельного манипулятора каждая цепь обычно коротка, проста и поэтому может быть жесткой по отношению к нежелательному перемещению, в отличие от последовательного манипулятора. При этом ошибки позиционирования одной цепи усредняются, а не суммируются.

Каждый привод, как и в последовательной структуре двигается в пределах своей степени свободы, однако в параллельном роботе внеосевая гибкость сустава ограничена влиянием других цепей. Такая замкнутая жесткость делает параллельный манипулятор жестким в целом по отношению к своим компонентам, в отличие от последовательной цепи, жесткость которой уменьшается с увеличением числа компонентов.

Платформа Гофа — Стюарта в движении

Взаимное усиление жесткости в параллельной структуре позволяет упростить конструкцию.

В цепях гексаподов платформы Гофа-Стюарта используют призматические линейные приводы между универсальными шаровыми шарнирами по любым осям. Шаровые шарниры пассивны: свободно перемещаются без приводов и тормозов. Их положение ограничивается только другими цепями.

В основании дельта-роботов поворотные приводы, которые приводят в движение легкий, жесткий параллелограммный манипулятор. Эффектор устанавливают между кончиками трех рычагов, он может быть закреплен простыми шаровыми шарнирами. Статическая схема параллелограммного робота часто напоминает ферму с шарнирными соединениями: звенья и исполнительные механизмы не испытывают воздействия изгиба или крутящего момента, только растяжение или сжатие. Это снижает влияние любой гибкости на внеосевые силы.

К преимуществам параллельного робота можно также отнести то, что тяжелые механизмы могут быть установлены по центру на одной базовой платформе, а движение манипулятора будет осуществляться только за счет стоек и шарниров. Уменьшение массы вдоль манипулятора облегчает конструкцию манипулятора и исполнительные механизмы, увеличивая скорость движения. Централизация массы снижает общий момент инерции робота, и это преимущество уже для мобильных или шагающих роботов.

Конструктивные особенности параллельных роботов обеспечивают широкий диапазон возможностей. Скорость действия часто ограничена жесткостью, а не мощностью, так что подобные структуры могут быть более быстродейственны, чем другие конструкции.

Степени свободы[править | править код]

Манипулятор может перемещать объект с шестью степенями свободы (6DoF от англ. Six degrees of freedom). Он может двигаться в декартовой трёхмерной системе координат (вперёд/назад, вверх/вниз, влево/вправо), а также совершать повороты Эйлера вокруг каждой из трёх взаимно перпендикулярных осей (рыскание, тангаж, крен)[2].

Прототип «PAR4», высокоскоростной параллельный робот с четырьмя степенями свободы.

Но в том случае, если для манипуляции нужно меньше шести степеней, применение менее подвижных манипуляторов дает преимущества в виде более простой архитектуры, легкого управления, быстрого перемещения и низкой стоимости[3]. У дельта-робота, например, всего четыре (три поступательных и одна вращательная степень свободы), и он хорошо зарекомендовал себя в действиях, требующих быстрого позиционирования и перемещения[4][5].

Рабочее пространство манипуляторов с низкой подвижностью можно разложить на подпространства «движения» и «ограничений». Три поступательных степени свободы дельта-робота — это его подпространство движения, а отсутствующие повороты Эйлера — подпространство ограничений.

Подпространство движения можно дополнительно разделить на два подпространства: независимое (желаемое) и зависимое, состоящее из нежелательного («сопутствующего» или «паразитного») движения[6][7][8]. Негативные последствия нужно устранять или смягчать при проектировании. Например, у дельта-роботов «паразитного» движения нет, так как нет вращения концевого эффектора.

Тросовые параллельные роботы[править | править код]

В тросовом параллельном роботе (ТПР) жесткие звенья заменены гибкими (тросами)[9]. У такой конструкции меньше инерционные характеристики, больше общая скорость и ускорение концевого эффектора[10][11]. Кроме того, у тросовых роботов шире рабочая зона, что позволяет применять их для решения сложных задач требующих большой зоны обслуживания[12].

Однако, у использования в конструкции гибких звеньев есть и недостатки — звенья работают только на растяжение, теряя работоспособность при сжатии. Эту особенность важно учитывать при разработке и использовании подобных параллельных систем. Первый ТПР был разработан в 1989 году в Национальном институте стандартов и технологий и предназначался для обработки грузов в портах, строительстве мостов и других областях[13].

Skycam в действии

Другой тросовый робот, SkyCam, применяют для видеосъемки на стадионах, и он представляет собой четыре троса, по которым движется камера. Максимальная рабочая скорость движения в системе — 44,8 км/ч[14].

Есть подобные роботы для сельскохозяйственных работ[15][16], автоматизированного строительства[17]. Причем в строительстве есть как масштабные системы, так и строительный 3D-принтер с шестью степенями свободы и бетонным экструдером в качестве концевого эффектора[18].

Сравнение с серийными манипуляторами[править | править код]

Большинству роботов требуется жесткость, которую в серийных роботах достигают, используя высококачественные поворотные шарниры. Они допускают движение по одной оси, но жестки по отношению к движению за ее пределами. А любой шарнир, допускающий движение, должен иметь возможность целенаправленного управления этим движением с помощью исполнительного механизма. Для движения по нескольким осям нужно несколько шарниров.

Ненужная гибкость или неаккуратность в одном суставе вызывает аналогичный эффект во всем манипуляторе. Из-за невозможности сдерживать движение суставов по отношению друг к другу эффект может усиливаться в зависимости от расстояния между суставом и концевым эффектором. Их неизбежное запаздывание (гистерезис) и внеосевая гибкость накапливаются в кинематической цепи манипулятора.

Прецизионный последовательный манипулятор — неизбежный компромисс между точностью, сложностью, массой (манипулятора и манипулируемых объектов) и стоимостью. Но параллельные манипуляторы позволяют добиться высокой жесткости при небольшой, относительно манипулируемого элемента, массе манипулятора. Это обеспечивает высокую точность и скорость перемещения и служит причиной, например, применения параллельных систем в авиасимуляции из-за высокой скорости при достаточно большой массе.

К недостаткам системы или сложностям в работе с параллельными роботами можно отнести нелинейное поведение. Команды на изменение положения концевого эффектора (линейного или кругового) зависит от положения манипулятора в рабочем пространстве и при движении нелинейно меняется.

Кроме того, рабочее пространство параллельных манипуляторов ограниченно, в том числе и в сравнении с последовательными. Рабочее пространство ограничено геометрическими и механическими пределами конструкции, как и у последовательных роботов. Пределы определяются максимальной и минимальной длиной ног, возможностью столкновения между ногами.

Но также ограничения определяются сингулярностью, возникновением таких положений, в которых для некоторых траекторий движения изменение длины ног бесконечно мало относительно изменения их положения. И наоборот, в сингулярном положении сила (например, гравитация), приложенная к концевому эффектору, вызывает бесконечно большие ограничения ног, что может привести к своеобразному «взрыву» манипулятора. При этом определение сингулярных положений затруднено и для общего параллельного манипулятора проблема остается открытой.

В результате, рабочее пространство параллельных манипуляторов обычно искусственно ограничивают небольшой областью, в которой сингулярность не возникнет.

Применение параллельных роботов[править | править код]

Параллельные роботы на фасовке и упаковке лекарств

Основные направления применения параллельных манипуляторов кроме использования в авиасимуляторах и автомобильных тренажерах — различные сферы производства областями применения этих устройств в промышленности являются:

  • упаковки;
  • сборки (особенно, требующей высокоскоростного и высокоточного позиционирования при ограничении рабочего пространства);
  • погрузочно-разгрузочных работ.

Кроме того, они подходят для, например, юстировки оптических волокон[19] или при выполнении задач высокоскоростного\высокоточного фрезерования.

Отдельное направление — использование в качестве микроманипуляторов на концевых эффекторах более крупных серийных манипуляторов.

У параллельных роботов обычно более ограничено рабочее пространство, в результате они, например, преимущественно не могут обходить препятствия. Любые расчеты, связанные с кинематикой движения у них обычно сложнее и могут приводить к множеству решений.

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Merlet, J.P. Parallel Robots, 2nd Edition. — Springer, 2008. — ISBN 978-1-4020-4132-7.
  2. ↑ 6DOF (англ.). PCMag Encyclopedia. Дата обращения: 9 декабря 2015.
  3. ↑ Di, Raffaele (2006-12-01), Cubero, Sam (ed.), "Parallel Manipulators with Lower Mobility", Industrial Robotics: Theory, Modelling and Control (англ.), Pro Literatur Verlag, Germany / ARS, Austria, doi:10.5772/5030, ISBN 978-3-86611-285-8, Дата обращения: 3 декабря 2020
  4. ↑ Device for the movement and positioning of an element in space, R. Clavel — US Patent 4,976,582, 1990
  5. ↑ R. Clavel, Delta: a fast robot with parallel geometry, Proc 18th Int Symp Ind Robots; Sydney, Australia (1988), pp. 91-100
  6. ↑ Nigatu, Hassen; Yihun, Yimesker (2020), Larochelle, Pierre; McCarthy, J. Michael (eds.), "Algebraic Insight on the Concomitant Motion of 3RPS and 3PRS PKMS", Proceedings of the 2020 USCToMM Symposium on Mechanical Systems and Robotics, Mechanisms and Machine Science (англ.), vol. 83, Cham: Springer International Publishing, pp. 242—252, doi:10.1007/978-3-030-43929-3_22, ISBN 978-3-030-43928-6, S2CID 218789290, Дата обращения: 13 декабря 2020
  7. ↑ Nigatu, Hassen; Choi, Yun Ho; Kim, Doik (2021-10-01). "Analysis of parasitic motion with the constraint embedded Jacobian for a 3-PRS parallel manipulator". Mechanism and Machine Theory (англ.). 164: 104409. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409. ISSN 0094-114X.
  8. ↑ Nigatu, Hassen; Kim, Doik (2021-01-01). "Optimization of 3-DoF Manipulators' Parasitic Motion with the Instantaneous Restriction Space-Based Analytic Coupling Relation". Applied Sciences (англ.). 11 (10): 4690. doi:10.3390/app11104690.
  9. ↑ Pott, A. Cable-Driven Parallel Robots. Theory and application. — Springer International Publishing AG, part of Springer Nature, 2018.
  10. ↑ Oh, S. R. Cable suspended planar robots with redundant cables: controllers with positive tensions / S. R. Oh, S. K. Agrawal. — IEEE Transactions on Robotics, 2005.
  11. ↑ Zi, B. Design, analysis and control of cable-suspended parallel robots and its applications. / B. Zi, S. Qian. — Singapore: Springer Singapore, 2017.
  12. ↑ Verhoeven, R. nalysis of the workspace of tendon-based Stewart platforms.. — Duisburg: Departament of Mechanical Engineering, University of Duisburg-Essen, 2004.
  13. ↑ James, A. The NIST robocrane. / A. James, B. Roger, D. Nicholas. — Journal of Robotic Systems, №10., 1993.
  14. ↑ Tanaka, M. Kineto-statics of skycam-type wire transport system / M. Tanaka, Y. Seguchi, S. Shimada. — Proceedings of USA-Japan Symposium on Flexible Automation, Crossing Bridges: Advances in Flexible Automation and Robotics, 1988.
  15. ↑ Kirchgessner, N. et al. The ETH dield phenotyping platform FIP: a cable-suspended multisensory system. : [англ.]. — 2017. — Vol. 44. — P. 154—168.
  16. ↑ Radojicic, J. Application challenges if large-scale wire robots in agricultural plants : [англ.] / J. Radojicic, D. Surilovic, J. Kruger. — 2013. — Vol. 46. — P. 77—82.
  17. ↑ Pinto, A. M. A cable-driven robot for architectural consructions: a visual-guided approach for motion control and path planning. : [англ.] / A. M. Pinto, E. Moreira, J. et al. Lima. — 2017. — P. 1487—1499..
  18. ↑ Tho, T. P. Using a Cable Driven Parallel Robot with Applications in 3D Concrete Printing. : [англ.] / T. P. Tho, N. T. Thinh. — 2021. — P. 563.
  19. ↑ Active and Passive Fiber Alignment. Дата обращения: 29 марта 2007. Архивировано из оригинала 11 декабря 2006 года.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Параллельный_робот&oldid=135373123