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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。
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，在壓力過大，超過整個(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)器人使用過程中應(yīng)盡量減少鋼帶由于承受壓力過大而發(fā)生震動(dòng)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(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 通過研究三種并聯(lián)機(jī)構(gòu)得出的相關(guān)結(jié)論
①經(jīng)過大量的實(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。
結(jié)束語
隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)器人的需求也越來越大?，F(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(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)力缺乏的問題，還可以使加工后的產(chǎn)品更加精細(xì)。在不久的將來，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。
發(fā)表人：南京全控 相鐵武
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