为机械手检测特性选出的“Stewart”平台,来看看特性图解!

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各向同性特性在机械手的运动学设计优化中得到了广泛的应用。在该研究中,设计了半正则Stewart平台机械手的各向同性特性配置,通过评估称为驱动的“分数超额余量”的新致动器变量,引入了行程约束这种方法。


利用二次函数将刀具中心点的所有转动和平移运动与执行机构行程联系起来,构造约束优化问题。从非线性方程组得到的数值解已通过对Stewart平台机械手规定的单度运动的“分数超额裕度”的分析图解地解释。本文以“Semi-Isotropically Optimized Stewart Platform Manipulator Design with Actuator Stroke Constraint”为题于2020年6月24日发布于《Journal of The Institution of Engineers (India): Series C》杂志上。


研究结论


由Stewart、Gough和Whitehall三人开发的机械手通常被称为Stewart平台机械手,具有所有6个自由度(DoF)空间方向的可操作性。它有两个平台,六个主动线性驱动的肢体和两组六个关节。


一组关节连接每个肢体一端的共同固定或基座平台,另一组关节连接共同移动平台。在家中或中立姿势下,运动平台保持与静止基座平行。所有6个自由度的运动都是围绕运动平台的中心实现的,称为工具中心点(TCP)。


针对不同的申请,使用Stewart平台机械手服务航空应用研究,康复机器人重复的、精确的、艰苦的物理治疗研究和内窥镜定位器和夹内窥镜蝶手术研究是值得提的问题。


各向同性是衡量机械手性能的常用指标之一,因为这一特性表明了机械手的运动精度和与奇异构型的接近性。机械手的各向同性与其雅可比矩阵的条件数有关,而条件数又直接与奇异值有关。


如果机械手的雅可比矩阵的奇异值都相同,即其雅可比矩阵的条件数为1,则称为机械手完全各向同性。对于串行机械手而言,并联机械手的优点是结构刚度、刚度和承载能力高,缺点是工作空间较小,可能在工作空间内存在奇点。在奇异点附近,机构失去其刚度。


该研究提出了一种实现半规则Stewart平台机械手(SRSPM)在国内结构上与最大行程长度相适应的半规则Stewart平台机械手(SRSPM)的设计优化策略。


该机构由底部平台和顶部移动平台组成,它们由六个线性驱动的腿相互连接,如图所示。


虽然行程约束引入了TCP与其半各向同性家庭结构显著偏差的影响,但与最近的Li等人的研究相比,这一结果还是很有希望的。


图为Stewart平台机械手


图为带电机和关节的直线执行器


图为极端表面


图为等高线


图为优化算法的收敛特性


图为TCP家庭配置的纯半各向同性设计方案


研究结论


该研究提出了一种附加行程约束的Stewart平台机械手TCP的半等向优化home position设计方法。利用一个新的变量——分数超额裕度,对优化后的解进行了图解式的推导。


将带有限边界的分数超额边界约束优化问题适当地转化为无约束优化问题。建立了半各向同性机械手配置与规定运动所需的最小行程配置之间的平衡关系。该方法可有效地应用于其它并联机构的优化设计。


参考文献:Biswajit Halder Semi-Isotropically Optimized Stewart Platform Manipulator Design with Actuator Stroke Constraint  Journal of The Institution of Engineers (India): Series C volume 101, pages881–889(2020)



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