并联Delta机器人及其轨迹规划方法综述

并联Delta机器人具有定位精准、刚度高、可操作性好、结构紧凑等优点,被广泛应用于航空、航天、海底作业、微机电系统和辅助医疗等方面。从Delta机器人发展至今,解决智能自动生产线上的大批量或小批量柔性制造中的高速、高精度轨迹跟踪等拾放作业任务难题,是该领域研究的重点和难点。对中外并联Delta机器人轨迹规划研究发展进行了回顾,重点阐述了并联Delta机器人拾放操作轨迹规划研究现状。针对并联Delta机器人的发展趋势进行了相关展望,以期为并联Delta机器人轨迹规划领域相关研究学者提供参考。

Delta并联机器人运动学性能分析与结构参数优化

Delta并联机器人具有速度快、结构简单、承载力强等优点,在钵苗移栽、产品分拣与包装中应用广泛。针对目前Delta并联机器人各结构参数对运动学性能的影响及系统性结构参数优化设计缺乏完整理论体系的问题,本文分析可达工作空间雅可比矩阵条件数分布规律、结构参数约束关系、运动学性能随结构参数的变化规律及相关性,获得条件数分布特性和失真约束条件,在此基础上得出动静平台半径差和主动臂长度增加和从动杆长度减小能够使得机构性能较优。给定设计工作空间,对原结构进行参数优化设计,通过建立包络惩罚函数,采用多元非线性拟合与线性加权组合法得到运动学性能评价函数,结合条件数分布特性和失真约束条件建立优化模型,利用遗传算法进行优化。相较于优化前,优化后可达工作空间体积减小14.26%,设计工作空间的全局条件数均值和全局条件数标准差分别减小31.20%和11.78%,且设计工作空间各截面条件数分布规律验证了条件数分布特性的可靠性。

基于改进NURBS和Delta并联机器人的食品分拣轨迹优化

[目的]降低Delta机器人在食品分拣轨迹中的运行时间和冲击,提高Delta机器人运行效率和稳定性。[方法]在分析食品分拣系统(应用Delta机器人)的基础上,提出了一种结合NURBS算法、麻雀搜索算法和蝴蝶优化算法的Delta机器人食品分拣轨迹优化方法。以运行时间和冲击最小化为目标对NURBS曲线规划的Delta机器人运行轨迹进行优化,结合麻雀搜索算法和蝴蝶优化算法求解模型,实现Delta机器人分拣轨迹优化。通过试验对Delta机器人分拣轨迹的运行时间和冲击进行分析。[结果]所提Delta机器人分拣轨迹优化方法可以兼顾运行时间和冲击,运行时间降低6.00%以上,运行冲击降低80.00%以上,系统的动态抓取成功率在99.00%以上,可满足食品分选要求。[结论]通过运行时间和冲击综合最优对NURBS曲线进行优化,可以有效提高Delta机器人食品分拣性能。

基于多模型和改进WOA算法的Delta机器人柔性夹持器抓取方法研究

[目的]解决Delta机器人柔性夹持器抓取方法存在的控制精度和适应性较差等问题。[方法]以Delta机器人柔性夹持器为研究对象,提出一种多模型和改进鲸鱼算法相结合的Delta机器人柔性夹持器抓取方法。建立稳定抓取优化模型,在抓持对象表面寻求最佳接触位置。建立无损抓取优化模型,在确保稳定抓起物体的前提下使接触力尽可能地小。结合粒子群算法和鲸鱼算法求解模型。通过试验验证了所提抓取方法的优越性。[结果]所提方法不仅具有良好的控制精度,还能够适应不同形状和大小的物体,具有较高的灵活性和适应性,抓取成功率>96%,抓取损伤率为0。[结论]所提方法有效提高了Delta机器人柔性夹持器抓取方法的性能,适用于果蔬和易碎物品的分拣工作。

含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学建模与分析

为了提高空间六自由度并联机器人动力学模型的精度,以6-RSS并联机器人(R:转动副,S:球面副)为研究对象,提出一种将支链弹性变形和运动副间隙随机变化相结合的动力学建模方法。首先,根据几何结构与初始状态,开展理想条件下的运动学分析。利用数理统计原理和符号函数建立含间隙的转动副与球面副运动学模型,进而计算杆件虚长度和各个运动副处的碰撞接触力。然后,将相关参数结合到弹性动力学模型中,建立含运动副间隙的6-RSS并联机器人弹性动力学模型。最后,分析不同状态下支链弹性变形和运动副间隙各自产生误差的原因以及两者综合产生误差的原因。结果表明:改进后的动力学建模方法充分考虑了支链弹性变形和运动副间隙的耦合性与瞬时性,较其他动力学建模方法更加精确。

数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性研究

六自由度并联机器人采用数字液压缸驱动相比于采用电液伺服缸驱动,具有成本低、可靠性高、抗污能力强和结构简单等优点,为研究数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性,首先建立数字液压缸的数学模型并推导出闭环刚度,然后基于全微分法建立六自由度并联机器人的误差传递模型,并结合数字液压缸的闭环刚度,推导出数字液压缸驱动的六自由度并联机器人的刚度矩阵,并分析了刚度矩阵的影响因素,建立AMESim仿真模型并进行仿真研究,揭示出并联机器人各自由度的刚度与正开口量、滚珠丝杠导程等系统固有参数以及与并联机器人位姿之间的关系,研究结果还表明,当并联机器人沿除升沉方向以外的其他方向运动时,升沉自由度和其他自由度之间存在耦合,且耦合刚度会随并联机器人位姿的变化而变化。该研究对数字液压缸驱动的六自由度并联机器人研制及应用有一定的理论价值和实际意义。

针灸并联机器人虚拟仿真在线实验教学设计

为了提升学生的综合应用及创新实践能力,针对机器人实验教学存在的时间场地不可及、易受硬件条件约束等问题,在特定针灸任务驱动下,围绕机器人运动学模型、轨迹规划、姿态控制、位置控制等知识点,运用虚拟仿真技术构建了可扩展性强、界面直观、场景流畅、可交互操作的并联机器人在线实验教学系统,服务于机器人控制实践等课程教学。有效激发了学生的学习兴趣,提升了学生拓展迁移所学知识解决实际工程问题的能力,为培养满足国家需求的新工科创新人才提供了条件。

基于Pro/E与Simulink的Delta并联机器人运动仿真

针对"三自由度并联机器人的运动空间比传统六自由度并联机器人受到更多约束,以及其运动特性也更加复杂"的问题,将可视化运动仿真分析技术应用到并联机器人的研究上。以三自由度Delta并联机器人为例,在复杂轨迹下其整体位姿难以直观想象;为了便捷、高效地实现Delta并联机器人可视化运动仿真分析,结合SimMechanics Link接口软件,以Pro/E与Simulink/SimMechanics为仿真开发平台,提出了采用三维模型转换成SimMechanics模型的建模方法,并建立了SimMechanics模型,进行了仿真。研究结果表明,该方法能够直观地对Delta并联机器人进行可视化运动仿真分析,进而可为并联机器人机构的选型及优化、控制器的设计提供参考依据。

基于Lamé曲线的Delta并联机器人拾放操作轨迹的优化与试验验证

提出了高速Delta并联机器人拾放操作轨迹的一种实现及优化的方法。在笛卡儿空间中利用Lamé曲线平滑竖直运动与水平运动之间的直角过渡部分,确定运动轨迹形状。用高阶多项式运动特性对一维曲线弧位移进行三维规划,获得运动轨迹插补点的位置、速度和加速度信息。通过Delta机器人运动学模型和动力学模型将笛卡儿空间内的轨迹信息映射到机器人关节空间,以关节电动机的近似输出能量函数为目标优化Lamé曲线的参数。在试验样机平台上进行测试,测量不同Lamé曲线参数的运动轨迹在运动停止后机构残余振动的情况,通过比较验证了参数优化后的轨迹具有良好的实际性能,能够获得满足实践要求的轨迹曲线。

新型4RPUR并联机器人机构运动学分析与尺度综合

以支链为RPUR的4RPUR并联机器人机构为研究对象,首先根据方位特征集理论验证运动性质,利用SolidWorks软件建立三维模型图,其次利用杆长约束条件进行运动学位置逆解分析,再次利用图形化方法得到工作空间与转动能力性能图谱,最后选择鲸鱼优化算法(WOA)完成参数尺度综合。结果表明:优化后的工作空间边界光滑、对称分布,为机构应用设计提供了参考依据。

Delta型并联机器人运动学正解几何解法

并联机器人运动学正解的封闭解问题到目前为止没有得到全面解决 ,常用的解决方案是采用基于代数方程组的数值解法 ,该方法不足之处是推导过程复杂 ,实际应用过程中存在多解取舍的问题 .为此运用空间几何学及矢量代数的方法建立了三自由度Delta型并联机器人的简化运动学模型 ,求解并联机器人运动学正解 .与基于代数方程组的求解方法相比 ,推导过程简单、直观 ,回避了并联机器人运动学正解多解取舍的问题 。

Delta并联机器人运动学与动力学仿真分析

本文以Delta并联机器人为研究对象,用Matlab计算出运动轨迹,运用Pro/E软件建立其样机模型,导入到ADAMS软件中,添加约束驱动等,进行运动学和动力学仿真分析,所得结果与理论计算结果一致,为Delta并联机器人的设计、优化和运动控制提供参考依据。

Delta并联机器人运动学与动力学仿真研究

以Delta并联机器人为研究对象,用三维设计软件Pro/E建立其样机模型,通过简化Delta并联机器人机构模型,用D-H矩阵法建立其运动学方程,得出正、逆解,给定动平台的运动轨迹进行轨迹规划,用Matlab软件计算出各支链的驱动臂张角,将样机模型和计算结果导入到ADAMS软件中,添加约束驱动等,进行运动学和动力学仿真分析,所得结果与理论计算结果一致,为Delta并联机器人的设计、优化和运动控制提供依据。

一种3自由度柔索牵引并联机器人系统动力学参数辨识方法研究

针对柔索牵引并联机器人驱动单元结构复杂、强耦合的特性导致难以辨识机电耦合系统动力学参数的问题,通过整合驱动单元各耦合部件的转动惯量和黏性阻尼系数的方法,将伺服电机和卷筒机构作为一个整体研究对象,建立系统的动力学模型,构建可分离待辨识参数的辨识模型。以傅里叶级数优化末端执行器的激励轨迹,搭建试验平台,采集试验数据;基于加权最小二乘法拟合电机转矩数据,分步辨识出机器人系统的动力学参数。对比试验表明:该文提出的动力学参数辨识方法可行且辨识结果可靠。

基于几何法Delta并联机器人运动学分析

为避免解析法求解与数值法求解所具有的缺点,根据平行四边形结构的运动特性,简化了Delta并联机器人结构模型,并建立了3个惯性坐标系,将3个不同位置支链转换至相同状态下进行分析,采用几何法构造出机构位置正解与逆解的低阶方程组。根据刚性杆两端点运动速度在沿杆件方向分速度相同原理,构造了机构驱动输入与末端执行器输出的速度映射矩阵(速度雅克比矩阵)。运用Matlab软件进行编程,并通过实例验证了本机构位置正逆解算法的正确性。

平面并联机器人离线PID控制优化研究

为了使平面并联机器人在闭环控制系统中具有更稳定的控制性能。对此,这里构建了平面五杆并联机器人动力学模型及其控制系统模型,给出了控制系统的增益矢量p。对机器人系统模型进行离线PID控制优化,通过控制增益来设计控制系统中的增益矢量p,从而实现非线性单目标动态优化(NLMODOP)。在NLMODOP中加入动态约束,采用带约束处理机制的差分进化(DE)算法求解平面并联机器人的非线性规划问题,进而处理不稳定的动态优化。对机器人模型中的五个连杆进行仿真实验,并对有无DE算法控制的仿真结果进行了比较。结果表明:相比于无DE算法,采用DE算法下的机器人系统模型的连杆跟踪位移基本无跟踪误差。说明基于差分进化算法的平面并联机器人离线PID控制优化具有较好的控制精度和跟踪性能。

基于Delta并联机器人的禽蛋智能捡拾试验

针对当前禽蛋加工生产线中分段处置过程工序多、生产线长、累计破损率大、设备成本高等问题,采用一种基于机器视觉的Delta并联机器人,实现在生产线上将合格禽蛋捡拾到标准蛋盘并按照一定的顺序逐层整齐摆放的高速智能捡拾。通过基于视觉的动态禽蛋个体进行定位,确定不同搬运路径的智能轨迹规划,对实现智能捡拾的机器人控制程序进行设计并对禽蛋智能捡拾进行测试。结果表明,采用基于视觉的Delta并联机器人可以实现禽蛋智能捡拾和装盘工作目标,机器人运行速度达1 250 mm/s,捡拾效率为0.414 2~0.447 8枚/s,漏捡率小于3.33%。

可重构3-RRR并联机器人的“点对点”路径规划

通过拓扑重构,可以提高并联机器人的静刚度、故障修复等性能,但机器人重构之后能否到达任意指定的位姿且不经过奇异位形,尚无定论。为此,以可重构3-转动副转动副转动副(3-revolute-joint,revolute-joint,revolute-joint,3-RRR)并联机器人为研究对象,提出了一种能够实现“点对点”路径跟踪的规划算法。首先,建立了机构重构之前的反向运动学模型,据此确定了6组重构序列。接着,构建了一种“四步”规划算法,适用于任意自由度的可重构并联机器人的“点对点”路径跟踪,具有直观的几何解释,并且能够消除全部的奇异位形;通过算例验证了规划算法的有效性。然后,基于螺旋理论,计算出各组参量下的输入、输出和局部传递指标值,据此,确定了重构序列下的最优输入参量。最后,将“点对点”路径规划算法推广至连续路径规划的情形。

基于能量指标的DELTA并联机器人拾放轨迹参数优化及验证

为了减少DELTA机器人高速工作时的能耗,对该机器人拾放轨迹的优化问题进行了研究。基于Lamé,Clothoid,分段多项式解决Adept Cycle轨迹的直角过渡问题,实现对轨迹的三维形状规划;基于Bang-bang,7次多项式与6次多项式解决轨迹插补点位置、速度、加速度的设计,实现对轨迹的一维位移与速度的规划。仿真通过DELTA机器人的运动学与动力学模型,求解映射到驱动关节上的速度与力矩分量,并参考电机输入电能与机器人机械能耗两种能耗指标对9种轨迹进行几何参数优化。在计算能耗的过程中考虑电机再生能量的问题,对现有的能耗计算方式进行了改进。在已搭载DELTA的平台上进行测试,验证仿真结果,找出具有最低能耗的轨迹。经过比较发现9种轨迹中,Bang-bang运动规律的分段多项式曲线为最优轨迹,且具有空间与时间可重复性。

Delta并联机器人弹性动力学研究

采用有限元理论建立Delta并联机器人柔性构件的运动微分方程,结合机构的运动特点,规定了结点位移的方向,得到机构系统的动力学模型。将机构的真实运动看作名义运动与弹性振动的叠加,同时将动平台的位置和方向误差看作名义运动的摄动,得出动平台位形误差与结点位移的关系方程。在实例中,综合考虑重力、惯性力及阻尼共同作用下的动力响应,得到机构模态频率在工作空间的特性,对动平台的6维误差进行了全面评估。