并聯(lián)機(jī)器人剛度與靜力學(xué)相關(guān)研究

相鐵武

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科研水平的提高，人工智能技術(shù)和機(jī)器人已經(jīng)逐步進(jìn)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(jī)器人生產(chǎn)產(chǎn)品，當(dāng)下投入使用的機(jī)器人種類主要有兩種，一種是串聯(lián)機(jī)器人，一種是并聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比具有更精確、工作強(qiáng)度更大、靈敏度更高的優(yōu)點(diǎn)。本文就并聯(lián)機(jī)器人的剛度與靜力學(xué)分析兩方面進(jìn)行了深入的探討，隨著我國(guó)科研行業(yè)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人研究力度的加大，并聯(lián)機(jī)器人在未來(lái)也將會(huì)有更加完善的理論體系，將會(huì)大范圍的應(yīng)用于國(guó)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(jī)器人;靜力學(xué)分析;剛度

Key words： parallel robot;static analysis;stiffness

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）11-0250-02

0? 引言

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

1? 并聯(lián)機(jī)器人的主要構(gòu)造分析

并聯(lián)機(jī)器人在我國(guó)研發(fā)相對(duì)較晚，但是與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人有更大的剛度，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中更加穩(wěn)定，并聯(lián)機(jī)器人在工作時(shí)不需要隨身攜帶電機(jī)，與串聯(lián)機(jī)器人相比質(zhì)量較小，也因此在工作過(guò)程中產(chǎn)生的慣性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于并聯(lián)機(jī)器人。從并聯(lián)機(jī)器人工作時(shí)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，并聯(lián)機(jī)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(diǎn)。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(jī)器人的工作過(guò)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(diǎn)，鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有工作空間大，運(yùn)動(dòng)速度與桿支撐機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人相比也更加快，與繩牽引機(jī)構(gòu)相比，鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，在進(jìn)行力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析時(shí)更加簡(jiǎn)單。

2? 剛度

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

3? 并聯(lián)機(jī)器人的桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)

桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人最常用的一種機(jī)構(gòu)，它具有剛性強(qiáng)、載重能力高的優(yōu)點(diǎn)，與繩牽引機(jī)構(gòu)相比運(yùn)用的范圍較廣，與鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，它的剛度更加大，現(xiàn)下我國(guó)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人剛度的對(duì)比都是根據(jù)桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行對(duì)比的，剛度分為靜剛度與動(dòng)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(gè)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(duì)并聯(lián)機(jī)器人在工作時(shí)的靜剛度性能進(jìn)行分析，同時(shí)將分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。

動(dòng)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(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范這些數(shù)據(jù)，因此一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以極大程度的推動(dòng)研究部門對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度研究。動(dòng)剛度是反應(yīng)并聯(lián)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)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(gè)并聯(lián)機(jī)器人能否抵抗外部動(dòng)蕩的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)下國(guó)內(nèi)外對(duì)于動(dòng)剛度的研究還很少，在并聯(lián)機(jī)器人的研發(fā)過(guò)程中，動(dòng)剛度是十分重要的，動(dòng)剛度直接決定了并聯(lián)機(jī)器人加工出的零件的內(nèi)在部件的穩(wěn)定性。對(duì)并聯(lián)機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)剛度檢測(cè)，就可以使人們了解一個(gè)部件在加工過(guò)程中的整個(gè)受力情況。

4? 并聯(lián)機(jī)器人的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)

并聯(lián)機(jī)器人的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)與桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，繩牽引機(jī)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(duì)繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛度分析時(shí)一般是繩牽引機(jī)構(gòu)在承受拉力的情況下進(jìn)行的，繩牽引結(jié)構(gòu)在進(jìn)行剛度測(cè)試時(shí)非常容易受到外界其他力的影響，因此要想使繩牽引機(jī)構(gòu)在只受到拉力的情況下進(jìn)行剛度與靜力學(xué)分析，就要進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，因此在對(duì)靜剛度進(jìn)行分析時(shí)要根據(jù)不同位置進(jìn)行不斷的測(cè)試，在測(cè)試的過(guò)程中不僅耗費(fèi)時(shí)間，也消耗了大量的經(jīng)費(fèi)。因此構(gòu)造出一種簡(jiǎn)潔的模型進(jìn)行靜剛度的測(cè)試是十分必要的。

5? 并聯(lián)機(jī)器人的鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)

鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)還沒有較大的研究成果，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)的了解大部分都來(lái)源于國(guó)外的研究結(jié)果，在對(duì)鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)構(gòu)造了一種模型，該模型中的主要裝置是以鋼帶為運(yùn)動(dòng)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(shí)會(huì)發(fā)生一定程度的形變，在壓力較小時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)是比較穩(wěn)定的，在壓力過(guò)大，超過(guò)整個(gè)鋼帶能夠承受的力的極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)機(jī)器人內(nèi)部失去平衡，因此在并聯(lián)機(jī)器人內(nèi)部使用鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)時(shí)要先對(duì)鋼帶承受的最大力進(jìn)行分析，多次測(cè)量臨界值后再將鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人內(nèi)部。鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)與繩牽引機(jī)構(gòu)與桿支撐機(jī)構(gòu)不同，鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅可以像桿支撐機(jī)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(guò)多次研究分析發(fā)現(xiàn)，鋼帶并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)所承受的壓力大于鋼帶受力的臨界值就會(huì)使并聯(lián)機(jī)器人內(nèi)部失去平衡。

鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用于并聯(lián)機(jī)器人內(nèi)部，在并聯(lián)機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就會(huì)由于鋼帶質(zhì)量較小，厚度不夠而產(chǎn)生輕微的震動(dòng)，在并聯(lián)機(jī)器人外部就表現(xiàn)為機(jī)器人的行為顫動(dòng)，因此對(duì)于鋼帶機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)剛度與靜剛度的研究是十分重要的。通過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表示，靜剛度與鋼帶機(jī)構(gòu)并聯(lián)是否失去平衡為主要依據(jù)，動(dòng)剛度與鋼帶的震動(dòng)頻率和大小有關(guān)，由此我們可以知道，在并聯(lián)機(jī)器人失去平衡時(shí)的剛度是最小的，因此在并聯(lián)機(jī)器人使用過(guò)程中應(yīng)盡量減少鋼帶由于承受壓力過(guò)大而發(fā)生震動(dòng)的現(xiàn)象。如果壓力過(guò)大超過(guò)鋼帶所能承受的壓力的最大值，將會(huì)使得鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)變形，在鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)變形時(shí)進(jìn)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(guò)研究三種并聯(lián)機(jī)構(gòu)得出的相關(guān)結(jié)論

①經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M我們可以知道，桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度較大，在進(jìn)行剛度分析時(shí)，利用相關(guān)模型計(jì)算分析桿支撐機(jī)構(gòu)的剛度的方法更加簡(jiǎn)單，計(jì)算得出的結(jié)果準(zhǔn)確度更加高，但很多情況下桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)的模型較大，且進(jìn)行剛度分析時(shí)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(shí)工作量十分巨大，還會(huì)消耗大量的人力和物理，只以這種方法測(cè)量桿支撐并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度是不可行的，不利于以后對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人剛度與靜力學(xué)相關(guān)研究。在建立相關(guān)的模型進(jìn)行靜剛分析時(shí)，大多數(shù)的關(guān)注點(diǎn)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(huì)將低模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。并且當(dāng)下國(guó)內(nèi)外對(duì)于評(píng)價(jià)并聯(lián)機(jī)器人剛度大小的依據(jù)不相同，沒有一個(gè)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，與靜力學(xué)研究的相關(guān)科研人員還要對(duì)靜剛度評(píng)價(jià)的依據(jù)與評(píng)價(jià)的使用條件與范圍做一個(gè)規(guī)范。學(xué)者在對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的剛度與靜力學(xué)進(jìn)行研究分析時(shí)還要應(yīng)用多種方法，多實(shí)驗(yàn)，這樣才能得出更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與理論。

②并聯(lián)機(jī)器人的繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)只受到單一的拉力，因此該機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的范圍較小，只應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人只承受拉力的領(lǐng)域中，經(jīng)過(guò)大量的研究與文獻(xiàn)查找發(fā)現(xiàn)，繩牽引機(jī)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(jī)構(gòu)的剛度在工作過(guò)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(jī)構(gòu)的繩子的彈性大小有關(guān)，相比于桿支撐機(jī)構(gòu)與鋼帶并聯(lián)機(jī)構(gòu)，繩牽引機(jī)構(gòu)在進(jìn)行剛度與靜力學(xué)研究時(shí)更容易受到外在條件的干擾，因此在對(duì)繩牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行研究時(shí)要克服外在的因素對(duì)繩子的干擾。對(duì)繩牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛度與靜力學(xué)分析時(shí)的難點(diǎn)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(lái)的誤差計(jì)算到里面，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)論也是比較準(zhǔn)確的。

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

7? 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)器人的需求也越來(lái)越大。現(xiàn)下國(guó)內(nèi)外的眾多科研人員與學(xué)者已經(jīng)對(duì)并聯(lián)機(jī)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(dāng)下對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的使用需求，在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題有很多是沒有相關(guān)理論去解釋的，因此需要對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的剛度與靜力學(xué)進(jìn)行更深入的研究，由于并聯(lián)機(jī)器人的體積較大，在研究過(guò)程中使用模型解析法還有很多不方便的地方，因此要對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的剛度與靜力學(xué)進(jìn)行下一步的研究還要對(duì)研究方法進(jìn)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(jī)器人的剛度與靜力學(xué)研究，并且能夠更加快速簡(jiǎn)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(jī)器人的相關(guān)研究不僅可以解決我國(guó)人口老齡化現(xiàn)象，解決勞動(dòng)力缺乏的問(wèn)題，還可以使加工后的產(chǎn)品更加精細(xì)。在不久的將來(lái)，一旦并聯(lián)機(jī)器人大范圍的應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力也將再上一個(gè)臺(tái)階。

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