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.), Cham: Springer International Publishing, vol. 83, 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