Параллельный робот — механическая система, использующая несколько последовательных цепей с компьютерным управлением для поддержки одной платформы или концевого эффектора. То есть параллельный робот обладает рабочим звеном, связанным с основанием несколькими кинематическими цепями с несколькими приводами, или налагающим связи на движения робота.
У такой структуры в отличие от открытой у обычных роботов — замкнутые кинематические цепи, а работают они как пространственные фермы, что повышает точность, надежность и быстродействие.
Пример платформы Стюарта.
Самый известный параллельный робот — платформа Гофа-Стюарта, названный в честь инженеров-разработчиков[1]. У робота шесть степеней подвижности, а исполнительные механизмы попарно соединены как на основании, так и на платформе. Такой шарнирно-сочлененный робот использует аналогичные механизмы для перемещения либо самого робота на основании, либо одной или нескольких рук-манипуляторов.
От последовательного робота параллельный отличается тем, что концевой эффектор («рука» или «рабочий орган») манипулятора непосредственно связан с его основанием несколькими (обычно тремя или шестью) отдельными и независимыми связями, работающими одновременно. Никакой параллельности в геометрическом смысле в таких роботах не подразумевается.
В конструкции параллельного манипулятора каждая цепь обычно коротка, проста и поэтому может быть жесткой по отношению к нежелательному перемещению, в отличие от последовательного манипулятора. При этом ошибки позиционирования одной цепи усредняются, а не суммируются.
Каждый привод, как и в последовательной структуре двигается в пределах своей степени свободы, однако в параллельном роботе внеосевая гибкость сустава ограничена влиянием других цепей. Такая замкнутая жесткость делает параллельный манипулятор жестким в целом по отношению к своим компонентам, в отличие от последовательной цепи, жесткость которой уменьшается с увеличением числа компонентов.
Платформа Гофа — Стюарта в движении
Взаимное усиление жесткости в параллельной структуре позволяет упростить конструкцию.
В цепях гексаподов платформы Гофа-Стюарта используют призматические линейные приводы между универсальными шаровыми шарнирами по любым осям. Шаровые шарниры пассивны: свободно перемещаются без приводов и тормозов. Их положение ограничивается только другими цепями.
В основании дельта-роботов поворотные приводы, которые приводят в движение легкий, жесткий параллелограммный манипулятор. Эффектор устанавливают между кончиками трех рычагов, он может быть закреплен простыми шаровыми шарнирами. Статическая схема параллелограммного робота часто напоминает ферму с шарнирными соединениями: звенья и исполнительные механизмы не испытывают воздействия изгиба или крутящего момента, только растяжение или сжатие. Это снижает влияние любой гибкости на внеосевые силы.
К преимуществам параллельного робота можно также отнести то, что тяжелые механизмы могут быть установлены по центру на одной базовой платформе, а движение манипулятора будет осуществляться только за счет стоек и шарниров. Уменьшение массы вдоль манипулятора облегчает конструкцию манипулятора и исполнительные механизмы, увеличивая скорость движения. Централизация массы снижает общий момент инерции робота, и это преимущество уже для мобильных или шагающих роботов.
Конструктивные особенности параллельных роботов обеспечивают широкий диапазон возможностей. Скорость действия часто ограничена жесткостью, а не мощностью, так что подобные структуры могут быть более быстродейственны, чем другие конструкции.
Прототип «PAR4», высокоскоростной параллельный робот с четырьмя степенями свободы.
Но в том случае, если для манипуляции нужно меньше шести степеней, применение менее подвижных манипуляторов дает преимущества в виде более простой архитектуры, легкого управления, быстрого перемещения и низкой стоимости[3]. У дельта-робота, например, всего четыре (три поступательных и одна вращательная степень свободы), и он хорошо зарекомендовал себя в действиях, требующих быстрого позиционирования и перемещения[4][5].
Рабочее пространство манипуляторов с низкой подвижностью можно разложить на подпространства «движения» и «ограничений». Три поступательных степени свободы дельта-робота — это его подпространство движения, а отсутствующие повороты Эйлера — подпространство ограничений.
Подпространство движения можно дополнительно разделить на два подпространства: независимое (желаемое) и зависимое, состоящее из нежелательного («сопутствующего» или «паразитного») движения[6][7][8]. Негативные последствия нужно устранять или смягчать при проектировании. Например, у дельта-роботов «паразитного» движения нет, так как нет вращения концевого эффектора.
Тросовые параллельные роботы
В тросовом параллельном роботе (ТПР) жесткие звенья заменены гибкими (тросами)[9]. У такой конструкции меньше инерционные характеристики, больше общая скорость и ускорение концевого эффектора[10][11]. Кроме того, у тросовых роботов шире рабочая зона, что позволяет применять их для решения сложных задач требующих большой зоны обслуживания[12].
Однако, у использования в конструкции гибких звеньев есть и недостатки — звенья работают только на растяжение, теряя работоспособность при сжатии. Эту особенность важно учитывать при разработке и использовании подобных параллельных систем.
Первый ТПР был разработан в 1989 году в Национальном институте стандартов и технологий и предназначался для обработки грузов в портах, строительстве мостов и других областях[13].
Skycam в действии
Другой тросовый робот, SkyCam, применяют для видеосъемки на стадионах, и он представляет собой четыре троса, по которым движется камера. Максимальная рабочая скорость движения в системе — 44,8 км/ч[14].
Есть подобные роботы для сельскохозяйственных работ[15][16], автоматизированного строительства[17]. Причем в строительстве есть как масштабные системы, так и строительный 3D-принтер с шестью степенями свободы и бетонным экструдером в качестве концевого эффектора[18].
Сравнение с серийными манипуляторами
Большинству роботов требуется жесткость, которую в серийных роботах достигают, используя высококачественные поворотные шарниры. Они допускают движение по одной оси, но жестки по отношению к движению за ее пределами. А любой шарнир, допускающий движение, должен иметь возможность целенаправленного управления этим движением с помощью исполнительного механизма. Для движения по нескольким осям нужно несколько шарниров.
Ненужная гибкость или неаккуратность в одном суставе вызывает аналогичный эффект во всем манипуляторе. Из-за невозможности сдерживать движение суставов по отношению друг к другу эффект может усиливаться в зависимости от расстояния между суставом и концевым эффектором. Их неизбежное запаздывание (гистерезис) и внеосевая гибкость накапливаются в кинематической цепи манипулятора.
Прецизионный последовательный манипулятор — неизбежный компромисс между точностью, сложностью, массой (манипулятора и манипулируемых объектов) и стоимостью.
Но параллельные манипуляторы позволяют добиться высокой жесткости при небольшой, относительно манипулируемого элемента, массе манипулятора. Это обеспечивает высокую точность и скорость перемещения и служит причиной, например, применения параллельных систем в авиасимуляции из-за высокой скорости при достаточно большой массе.
К недостаткам системы или сложностям в работе с параллельными роботами можно отнести нелинейное поведение. Команды на изменение положения концевого эффектора (линейного или кругового) зависит от положения манипулятора в рабочем пространстве и при движении нелинейно меняется.
Кроме того, рабочее пространство параллельных манипуляторов ограниченно, в том числе и в сравнении с последовательными. Рабочее пространство ограничено геометрическими и механическими пределами конструкции, как и у последовательных роботов. Пределы определяются максимальной и минимальной длиной ног, возможностью столкновения между ногами.
Но также ограничения определяются сингулярностью, возникновением таких положений, в которых для некоторых траекторий движения изменение длины ног бесконечно мало относительно изменения их положения. И наоборот, в сингулярном положении сила (например, гравитация), приложенная к концевому эффектору, вызывает бесконечно большие ограничения ног, что может привести к своеобразному «взрыву» манипулятора. При этом определение сингулярных положений затруднено и для общего параллельного манипулятора проблема остается открытой.
В результате, рабочее пространство параллельных манипуляторов обычно искусственно ограничивают небольшой областью, в которой сингулярность не возникнет.
Применение параллельных роботов
Параллельные роботы на фасовке и упаковке лекарств
Основные направления применения параллельных манипуляторов кроме использования в авиасимуляторах и автомобильных тренажерах — различные сферы производства областями применения этих устройств в промышленности являются:
упаковки;
сборки (особенно, требующей высокоскоростного и высокоточного позиционирования при ограничении рабочего пространства);
Отдельное направление — использование в качестве микроманипуляторов на концевых эффекторах более крупных серийных манипуляторов.
У параллельных роботов обычно более ограничено рабочее пространство, в результате они, например, преимущественно не могут обходить препятствия. Любые расчеты, связанные с кинематикой движения у них обычно сложнее и могут приводить к множеству решений.
↑Pott, A. Cable-Driven Parallel Robots. Theory and application. — Springer International Publishing AG, part of Springer Nature, 2018.
↑Oh, S. R. Cable suspended planar robots with redundant cables: controllers with positive tensions / S. R. Oh, S. K. Agrawal. — IEEE Transactions on Robotics, 2005.
↑Zi, B. Design, analysis and control of cable-suspended parallel robots and its applications. / B. Zi, S. Qian. — Singapore: Springer Singapore, 2017.
↑Verhoeven, R. nalysis of the workspace of tendon-based Stewart platforms.. — Duisburg: Departament of Mechanical Engineering, University of Duisburg-Essen, 2004.
↑James, A. The NIST robocrane. / A. James, B. Roger, D. Nicholas. — Journal of Robotic Systems, №10., 1993.
↑Tanaka, M. Kineto-statics of skycam-type wire transport system / M. Tanaka, Y. Seguchi, S. Shimada. — Proceedings of USA-Japan Symposium on Flexible Automation, Crossing Bridges: Advances in Flexible Automation and Robotics, 1988.
↑Kirchgessner, N. et al. The ETH dield phenotyping platform FIP: a cable-suspended multisensory system. : [англ.]. — 2017. — Vol. 44. — P. 154—168.
↑Radojicic, J. Application challenges if large-scale wire robots in agricultural plants : [англ.] / J. Radojicic, D. Surilovic, J. Kruger. — 2013. — Vol. 46. — P. 77—82.
↑Pinto, A. M. A cable-driven robot for architectural consructions: a visual-guided approach for motion control and path planning. : [англ.] / A. M. Pinto, E. Moreira, J. et al. Lima. — 2017. — P. 1487—1499..
↑Tho, T. P. Using a Cable Driven Parallel Robot with Applications in 3D Concrete Printing. : [англ.] / T. P. Tho, N. T. Thinh. — 2021. — P. 563.
.jpg)
