并聯(lián)機器人剛度與靜力學(xué)相關(guān)研究

相鐵武

摘要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科研水平的提高，人工智能技術(shù)和機器人已經(jīng)逐步進入我們的日常生活，很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始投入使用機器人生產(chǎn)產(chǎn)品，當下投入使用的機器人種類主要有兩種，一種是串聯(lián)機器人，一種是并聯(lián)機器人，并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比具有更精確、工作強度更大、靈敏度更高的優(yōu)點。本文就并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)分析兩方面進行了深入的探討，隨著我國科研行業(yè)對并聯(lián)機器人研究力度的加大，并聯(lián)機器人在未來也將會有更加完善的理論體系，將會大范圍的應(yīng)用于國內(nèi)外的生產(chǎn)制造領(lǐng)域。

Abstract： With the development of China's economy and the improvement of scientific research， artificial intelligence technology and robots have gradually entered our daily life. Many industrial fields have begun to use robots to produce products. There are two main types of robots currently in use. One is the serial robot， and the other is the parallel robot. Compared with a serial robot， the parallel robot has the advantages of more accuracy， greater work intensity and higher sensitivity. This article has conducted in-depth discussions on the stiffness and static analysis of parallel robots. With the increasing research efforts on parallel robots in China's scientific research industry， parallel robots will also have a more complete theoretical system in the future， and will widely used in the manufacturing field at home and abroad.

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機器人;靜力學(xué)分析;剛度

Key words： parallel robot;static analysis;stiffness

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0250-02

0? 引言

人工智能與機器人是國內(nèi)外科研領(lǐng)域近幾年研究的重難點，尤其是并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)的相關(guān)研究，并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)研究是衡量并聯(lián)機器人好壞的重要標準，現(xiàn)下最常見的并聯(lián)機器人有桿支撐并聯(lián)機器人與繩牽引并聯(lián)機器人，鋼帶機構(gòu)并聯(lián)機器人是一種新型機構(gòu)，在使用前還需要進行嚴密的測試與分析。

1? 并聯(lián)機器人的主要構(gòu)造分析

并聯(lián)機器人在我國研發(fā)相對較晚，但是與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人有更大的剛度，在實際應(yīng)用過程中更加穩(wěn)定，并聯(lián)機器人在工作時不需要隨身攜帶電機，與串聯(lián)機器人相比質(zhì)量較小，也因此在工作過程中產(chǎn)生的慣性要遠遠小于并聯(lián)機器人。從并聯(lián)機器人工作時的結(jié)構(gòu)來看，并聯(lián)機器人主要分為桿支撐結(jié)構(gòu)與繩牽引結(jié)構(gòu)，桿支撐結(jié)構(gòu)與繩牽引結(jié)構(gòu)相比柔性較小，主要有剛性桿和滾珠組成，繩牽引結(jié)構(gòu)雖然柔性較大，但是主要受力是繩子的牽引力，受力較為單一的缺點。隨著科研人員的研究，新的鋼帶并聯(lián)結(jié)構(gòu)也開始應(yīng)用于并聯(lián)機器人的工作過程中，鋼帶并聯(lián)結(jié)構(gòu)結(jié)合了桿支撐結(jié)構(gòu)與繩牽引結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)在實際應(yīng)用過程中具有工作空間大，運動速度與桿支撐機構(gòu)的并聯(lián)機器人相比也更加快，與繩牽引機構(gòu)相比，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較簡單，在進行力學(xué)與動力學(xué)分析時更加簡單。

2? 剛度

剛度是評價并聯(lián)機器人好壞的主要指標，剛度包括靜剛度和動剛度兩種。剛度與并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與機器人的各個參數(shù)有關(guān)，影響機器人剛度的因素有多種，因此不是只在一方面達到最好就可以使并聯(lián)機器人的剛度達到最好，想要設(shè)計出剛度更好的并聯(lián)機器人，就要在他們的結(jié)構(gòu)以及各方面的參數(shù)上進行研究，多次對比后才能研制出剛度較高的并聯(lián)機器人。

3? 并聯(lián)機器人的桿支撐并聯(lián)機構(gòu)

桿支撐并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人最常用的一種機構(gòu)，它具有剛性強、載重能力高的優(yōu)點，與繩牽引機構(gòu)相比運用的范圍較廣，與鋼帶并聯(lián)機構(gòu)相比，它的剛度更加大，現(xiàn)下我國對并聯(lián)機器人剛度的對比都是根據(jù)桿支撐并聯(lián)機構(gòu)來進行對比的，剛度分為靜剛度與動剛度兩種：

現(xiàn)有的靜剛度分析法包括模型分析法和性能分析法兩種。模型分析法就是在建立一個模型，模擬力與受力物體變形之間的關(guān)系，靜剛度分析是在靜剛度模型分析的基礎(chǔ)上，對并聯(lián)機器人在工作時的靜剛度性能進行分析，同時將分析后的數(shù)據(jù)進行參考。

動剛度所分析得到的數(shù)據(jù)的物理意義是各不相同的，還沒有一個統(tǒng)一的標準來規(guī)范這些數(shù)據(jù)，因此一個統(tǒng)一的標準可以極大程度的推動研究部門對并聯(lián)機構(gòu)的剛度研究。動剛度是反應(yīng)并聯(lián)機器人在運動情況下可承受的最大的力并且不發(fā)生形變的能力，是衡量一個并聯(lián)機器人能否抵抗外部動蕩的標準。當下國內(nèi)外對于動剛度的研究還很少，在并聯(lián)機器人的研發(fā)過程中，動剛度是十分重要的，動剛度直接決定了并聯(lián)機器人加工出的零件的內(nèi)在部件的穩(wěn)定性。對并聯(lián)機器人生產(chǎn)過程進行動剛度檢測，就可以使人們了解一個部件在加工過程中的整個受力情況。

4? 并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)

并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)與桿支撐并聯(lián)機構(gòu)相比，繩牽引機構(gòu)具有單向受力性，只能承受拉力，不能承受壓力。因此在對繩牽引并聯(lián)機構(gòu)進行剛度分析時一般是繩牽引機構(gòu)在承受拉力的情況下進行的，繩牽引結(jié)構(gòu)在進行剛度測試時非常容易受到外界其他力的影響，因此要想使繩牽引機構(gòu)在只受到拉力的情況下進行剛度與靜力學(xué)分析，就要進行反復(fù)的實驗，繩牽引并聯(lián)機構(gòu)在工作時處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，因此在對靜剛度進行分析時要根據(jù)不同位置進行不斷的測試，在測試的過程中不僅耗費時間，也消耗了大量的經(jīng)費。因此構(gòu)造出一種簡潔的模型進行靜剛度的測試是十分必要的。

5? 并聯(lián)機器人的鋼帶并聯(lián)機構(gòu)

鋼帶并聯(lián)機構(gòu)在國內(nèi)還沒有較大的研究成果，國內(nèi)對于鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的了解大部分都來源于國外的研究結(jié)果，在對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)進行分析時構(gòu)造了一種模型，該模型中的主要裝置是以鋼帶為運動副，鋼帶具有一定的彈性，表面具有一定的弧度，在受到較大的力時會發(fā)生一定程度的形變，在壓力較小時整個機構(gòu)是比較穩(wěn)定的，在壓力過大，超過整個鋼帶能夠承受的力的極限時，就會導(dǎo)致整個并聯(lián)機器人內(nèi)部失去平衡，因此在并聯(lián)機器人內(nèi)部使用鋼帶并聯(lián)機構(gòu)時要先對鋼帶承受的最大力進行分析，多次測量臨界值后再將鋼帶并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用于并聯(lián)機器人內(nèi)部。鋼帶并聯(lián)機構(gòu)與繩牽引機構(gòu)與桿支撐機構(gòu)不同，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)不僅可以像桿支撐機構(gòu)一樣承受較大的壓力，還可以承受較大的拉力，它的受力是多向的。經(jīng)過多次研究分析發(fā)現(xiàn)，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)所能承受的最大壓力與鋼帶的材料與弧度有關(guān)，如果機構(gòu)所承受的壓力大于鋼帶受力的臨界值就會使并聯(lián)機器人內(nèi)部失去平衡。

鋼帶并聯(lián)機構(gòu)使用于并聯(lián)機器人內(nèi)部，在并聯(lián)機器人高速運動過程中就會由于鋼帶質(zhì)量較小，厚度不夠而產(chǎn)生輕微的震動，在并聯(lián)機器人外部就表現(xiàn)為機器人的行為顫動，因此對于鋼帶機構(gòu)的并聯(lián)機器人的動剛度與靜剛度的研究是十分重要的。通過大量的模擬實驗得到的數(shù)據(jù)表示，靜剛度與鋼帶機構(gòu)并聯(lián)是否失去平衡為主要依據(jù)，動剛度與鋼帶的震動頻率和大小有關(guān)，由此我們可以知道，在并聯(lián)機器人失去平衡時的剛度是最小的，因此在并聯(lián)機器人使用過程中應(yīng)盡量減少鋼帶由于承受壓力過大而發(fā)生震動的現(xiàn)象。如果壓力過大超過鋼帶所能承受的壓力的最大值，將會使得鋼帶并聯(lián)機構(gòu)變形，在鋼帶并聯(lián)機構(gòu)變形時進行靜力學(xué)分析是沒有意義的，得出的相關(guān)數(shù)據(jù)與繩牽引結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析沒有太大的區(qū)別。

6? 通過研究三種并聯(lián)機構(gòu)得出的相關(guān)結(jié)論

①經(jīng)過大量的實驗?zāi)M我們可以知道，桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的剛度較大，在進行剛度分析時，利用相關(guān)模型計算分析桿支撐機構(gòu)的剛度的方法更加簡單，計算得出的結(jié)果準確度更加高，但很多情況下桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的模型較大，且進行剛度分析時不同的狀態(tài)下分析得到的結(jié)果也是不同的，因此在研究時工作量十分巨大，還會消耗大量的人力和物理，只以這種方法測量桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的剛度是不可行的，不利于以后對于并聯(lián)機器人剛度與靜力學(xué)相關(guān)研究。在建立相關(guān)的模型進行靜剛分析時，大多數(shù)的關(guān)注點只是在構(gòu)件的彈性大小上，忽略了其他因素的影響，這樣就會將低模型預(yù)測的準確性。并且當下國內(nèi)外對于評價并聯(lián)機器人剛度大小的依據(jù)不相同，沒有一個準確的標準進行評價，與靜力學(xué)研究的相關(guān)科研人員還要對靜剛度評價的依據(jù)與評價的使用條件與范圍做一個規(guī)范。學(xué)者在對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)進行研究分析時還要應(yīng)用多種方法，多實驗，這樣才能得出更加準確的數(shù)據(jù)與理論。

②并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)在工作時只受到單一的拉力，因此該機構(gòu)在國內(nèi)外應(yīng)用的范圍較小，只應(yīng)用于并聯(lián)機器人只承受拉力的領(lǐng)域中，經(jīng)過大量的研究與文獻查找發(fā)現(xiàn)，繩牽引機構(gòu)的剛度只與繩子的剛度與能夠承受的最大拉力有關(guān)，機構(gòu)的剛度在工作過程中隨著拉力的增大而增大，隨拉力的減小而減小，除了受到拉力的影響，還與繩牽引機構(gòu)的繩子的彈性大小有關(guān)，相比于桿支撐機構(gòu)與鋼帶并聯(lián)機構(gòu)，繩牽引機構(gòu)在進行剛度與靜力學(xué)研究時更容易受到外在條件的干擾，因此在對繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人進行研究時要克服外在的因素對繩子的干擾。對繩牽引機構(gòu)進行剛度與靜力學(xué)分析時的難點是繩容易受到外在的力的干擾，發(fā)生變形，但可以利用特殊的算法將這些因素帶來的誤差計算到里面，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)論也是比較準確的。

③鋼帶并聯(lián)機構(gòu)具有特殊的結(jié)構(gòu)，既可以像繩牽引機構(gòu)一樣承受拉力，也可以像桿支撐機構(gòu)一樣承受壓力，但與桿支撐機構(gòu)的并聯(lián)機器人相比，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人的剛度是較小的。鋼帶并聯(lián)機構(gòu)雖然可以承受多種力的作用，但是鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人在工作時鋼帶容易失去平衡，失去平衡后的鋼帶容易發(fā)生震動，因此在并聯(lián)機器人使用鋼帶并聯(lián)機構(gòu)時要先對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的失衡情況和原因進行分析，分析后再對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人進行剛度與靜力學(xué)分析，這樣得到的數(shù)據(jù)更加準確。想要得到更加科學(xué)的研究結(jié)果就要進行更多的研究與實驗，目前中國乃至全世界對于鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人的研究和使用案例較少，因此在對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)進行剛度和靜力學(xué)相關(guān)研究時還要借鑒桿支撐機構(gòu)并聯(lián)機器人與繩牽引機構(gòu)并聯(lián)機器人的相關(guān)研究結(jié)論。

7? 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，人們對于機器人的需求也越來越大?，F(xiàn)下國內(nèi)外的眾多科研人員與學(xué)者已經(jīng)對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)研究有了初步的成果，但研究成果已經(jīng)不能滿足當下對并聯(lián)機器人的使用需求，在使用過程中出現(xiàn)的問題有很多是沒有相關(guān)理論去解釋的，因此需要對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)進行更深入的研究，由于并聯(lián)機器人的體積較大，在研究過程中使用模型解析法還有很多不方便的地方，因此要對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)進行下一步的研究還要對研究方法進行改善，隨著科技的發(fā)展，多元化的研究方法很快就可以應(yīng)用于并聯(lián)機器人的剛度與靜力學(xué)研究，并且能夠更加快速簡便的得出想要分析的數(shù)據(jù)，大大提高工作效率。并聯(lián)機器人的相關(guān)研究不僅可以解決我國人口老齡化現(xiàn)象，解決勞動力缺乏的問題，還可以使加工后的產(chǎn)品更加精細。在不久的將來，一旦并聯(lián)機器人大范圍的應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，我國的經(jīng)濟實力也將再上一個臺階。

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