柔性并联机器人运动学分析与数控机床应用

运动学分析是机器人与数控技术中的核心概念，它主要研究机器人关节与末端执行器（如手爪）之间的位置和姿态关系，但不涉及力和力矩的分析。在机器人领域，运动学分析通常分为两类问题： 1. 正问题：当给定机器人各关节的角度时，目标是确定末端执行器（手爪）在空间中的精确位置（位置和姿态）。这是许多机器人控制系统的基础，比如工业机器人路径规划或精准定位。 2. 逆问题：反过来，如果已知手爪的位姿，需要求解对应关节的角度组合，这在机器人的控制反演和轨迹跟踪中非常重要。解决这类问题需要深入理解机构的自由度和约束条件。 在这个讲解中，主讲人刘宇教授讨论了一种新型的柔索并联机器人系统。这种机器人系统利用了柔索来替代传统的移动副和转动副，从而减少了结构复杂性。柔索并联机构的关键组件包括： - 虎克铰（万向铰）：允许两个构件进行相对转动，类似于轴线交叉的两个转动副，提供了多个自由度。 - 球面副：提供了三个独立的相对转动方向，允许更复杂的运动。 - 虎克-移动副：结合了虎克铰和移动副，每个结构单元拥有3个自由度。 在自由度计算中，使用了Kutzbach-Grubler公式来确定系统的总自由度。通过对机构的详细分析，得出该并联机器人系统具有3个自由度，这意味着它可以通过3个参数来描述操作杆PR的位置和姿态，同时这些参数受到系统内部约束的影响。 柔索驱动的优势在于简化了机构设计，减少了构件数量，使得机器人更加紧凑和轻便。然而，为了确保柔索的正确工作，需要在适当的位置（例如R处）施加力，以保持柔索张力在合理范围内，避免过度伸展或损坏。 运动学分析对于理解和设计机器人系统至关重要，尤其是对于柔索驱动的并联机器人，其设计原则、自由度管理和控制策略是现代数控技术中的关键技术挑战。