Stewart平臺以其特有的大剛度、高精度和高載荷自重比等特點,適用于高精度、大載荷且對工作空間的要求相對較小的場合。在許多領域得到了廣泛的應用,成為機器人以及醫(yī)療設備、機械加工、天文儀器等多種應用領域的研究熱點之一。
Stewart平臺機構是1965年由美國學者Stewart首次將它作為飛行模擬器機構提出來的。1978年,澳大利亞學者Hunt提出將Stewart平臺應用于工業(yè)機器人,形成一種6自由度的新型并聯(lián)機器人。1979年,D.T.Phma和MCcallion將Stewart平臺應用于機器人取得成功,所謂的并聯(lián)機器人誕生了。隨后相關研究成果大量涌現(xiàn)。Stewart機構成功應用于大功率裝配機器人、步行機器人、機器人手腕等。
1989年,3自由度的DELTA并聯(lián)機構誕生,其動平臺總是平行于靜平臺的。相繼的,1990年HEXA結構誕生,這是可實現(xiàn)三維空間內(nèi)任意位姿定位的6自由度空間并聯(lián)機構;1993年,美國德州自動化與機器人研究院研制出可完成銑、磨、鉆、銼、拋光和高能束等多種加工的多功能并聯(lián)加工機械手,這是一個標志性轉折。
1994年是Stewart平臺發(fā)展最為快速繁榮的一年,英國Geodectic公司在芝加哥工具機展展出HEXAPOD五軸加工機,美國Gidding&Lewis公司也同時展出Variax三軸工具機,美國Ingersoll銑床公司、瑞士Geodectics公司都展出了Stewart數(shù)控機床樣品,于是Stewart平臺機構在機械加工工業(yè)名聲大噪,舉世矚目。世界各國的研究機構和企業(yè)開始大量投入Stewart機床的研究與開發(fā)。隨后,結構創(chuàng)新和理論研究成果大量涌現(xiàn)。
而國內(nèi)Stewart平臺雖然在高校研究課題中頻繁出現(xiàn),但是其商品化的進程一直較為緩慢,目前國產(chǎn)機器人廠商都沒有能將其轉化為商品真正為業(yè)主客戶創(chuàng)造實際價值,勃肯特本著以客戶為本的理念,加大研發(fā)投入,在Stewart平臺商品化的路上邁出了堅實的一步,目前國產(chǎn)并聯(lián)機器人多以3軸或3+1軸并聯(lián)機器人為主,其數(shù)學模型為DELTA機械手,模型在成熟較早,其中涉及到的技術難點也較為簡單,DELTA機器人所用到的正逆運動學,多為高中知識,平面幾何與三角函數(shù),是高中知識轉化為生產(chǎn)力的良好體現(xiàn),而Stewart平臺,6軸并聯(lián)機器人的正逆運動學則較為復雜,沒有一定科研實力、數(shù)學功底的廠商想完成Stewart平臺的正逆解推導還是有一定難度的,現(xiàn)在就科普下其到底難在什么地方。
6軸并聯(lián)機器人的外觀而言,長相與傳統(tǒng)3軸DELTA機器人大同小異,但是卻有著本質性的區(qū)別,DELTA機器人中擁有3個主動臂,而每一個主動臂與動平臺是通過2個桿件鏈接,此2桿不能獨立運動,只能一同跟隨主動臂運動,而Stewart平臺有6個主動臂,每個主動臂通過一個桿件與動平臺鏈接,所有鏈接桿件都可以獨立運動,雖然兩者都為6個桿件鏈接主動臂與動平臺,但是運行形勢的完全不一樣的。
六軸并聯(lián)機構如圖1所示,6個三維參數(shù)動平臺鉸鏈Ai,6個三維參數(shù)定平臺鉸鏈Bi,6個智聯(lián)驅動長度Li,總共42項幾何參數(shù)Xj。動平臺的位姿gj用齊次坐標矩陣表示,j表示指令號,j=1,2,…,m表示m組指令。
在上、下平臺鉸鏈中心平面任取點O2、O1為原點,軸z2、z1分別垂直于上、下平臺,分別建立與上、下平臺固定連接的動坐標系O2x2y2z2、定坐標系O1x1y1z1。只要能求出動坐標系O2x2y2z2到定坐標系O1x1y1z1的旋轉變換矩陣R和平移矢量P,就可以確定空間位姿。
設點Ai在定坐標系O1x1y1z1中的坐標為Qai(axi,ayi,0),動坐標系原點O2在定坐標系O1x1y1z1中的坐標為P(x,y,z),點Bi在坐標系O2x2y2z2中的坐標為Qbi(bxi,byi,0),AiBi的長度為Li,動坐標系O2x2y2z2到定坐標系O1x1y1z1的旋轉變換矩陣為
由桿長約束條件有
i=1,2,...,6
代入坐標值得
i=1,2,...,6
由于旋轉變換矩陣R為單位正交陣,得
現(xiàn)在可以正式開工,通過代數(shù)消元可最終得到6顆伺服電機轉角與動平臺的6個自由度(x,y,z,A,B,C)的一一對應關系,有關相關代碼就不一一敘述了。
六軸并聯(lián)機器人(Stewart平臺)作為并聯(lián)機器人產(chǎn)品中算法最復雜的一種,很難用只言片語來解釋清其中的奧秘。勃肯特作為國內(nèi)唯一一家掌握六軸并聯(lián)機器人(Stewart平臺算法)的工業(yè)機器人公司,將產(chǎn)品研發(fā)作為己任,以“改變中國工業(yè)機器人現(xiàn)狀”為初心,不斷推陳出新,努力實現(xiàn)真正屬于中國的工業(yè)4.0時代。
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原文標題:【山卓諧波 | 科普】算法最復雜的Stewart平臺
文章出處:【微信號:gaogongrobot,微信公眾號:高工機器人】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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