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摘要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科研水平的提高，人工智能技術(shù)和機器人已經(jīng)逐步進入我們的日常生活，很多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始投入使用機器人生產(chǎn)產(chǎn)品，當下投入使用的機器人種類主要有兩種，一種是串聯(lián)機器人，一種是并聯(lián)機器人，并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比具有更精確、工作強度更大、靈敏度更高的優(yōu)點。本文就并聯(lián)機器人的剛度與靜力學分析兩方面進行了深入的探討，隨著我國科研行業(yè)對并聯(lián)機器人研究力度的加大，并聯(lián)機器人在未來也將會有更加完善的理論體系，將會大范圍的應用于國內(nèi)外的生產(chǎn)制造領(lǐng)域。
人工智能與機器人是國內(nèi)外科研領(lǐng)域近幾年研究的重難點，尤其是并聯(lián)機器人的剛度與靜力學的相關(guān)研究，并聯(lián)機器人的剛度與靜力學研究是衡量并聯(lián)機器人好壞的重要標準，現(xiàn)下最常見的并聯(lián)機器人有桿支撐并聯(lián)機器人與繩牽引并聯(lián)機器人，鋼帶機構(gòu)并聯(lián)機器人是一種新型機構(gòu)，在使用前還需要進行嚴密的測試與分析。
1 并聯(lián)機器人的主要構(gòu)造分析
并聯(lián)機器人在我國研發(fā)相對較晚，但是與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人有更大的剛度，在實際應用過程中更加穩(wěn)定，并聯(lián)機器人在工作時不需要隨身攜帶電機，與串聯(lián)機器人相比質(zhì)量較小，也因此在工作過程中產(chǎn)生的慣性要遠遠小于并聯(lián)機器人。從并聯(lián)機器人工作時的結(jié)構(gòu)來看，并聯(lián)機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。隨著科研人員的研究，新的鋼帶并聯(lián)結(jié)構(gòu)也開始應用于并聯(lián)機器人的工作過程中，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，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)在實際應用過程中具有工作空間大，運動速度與桿支撐機構(gòu)的并聯(lián)機器人相比也更加快，與繩牽引機構(gòu)相比，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較簡單，在進行力學與動力學分析時更加簡單。
2 剛度
剛度是評價并聯(lián)機器人好壞的主要指標，剛度包括靜剛度和動剛度兩種。剛度與并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與機器人的各個參數(shù)有關(guān)，影響機器人剛度的因素有多種，因此不是只在一方面達到最好就可以使并聯(lián)機器人的剛度達到最好，想要設計出剛度更好的并聯(lián)機器人，就要在他們的結(jié)構(gòu)以及各方面的參數(shù)上進行研究，多次對比后才能研制出剛度較高的并聯(lián)機器人。
3 并聯(lián)機器人的桿支撐并聯(lián)機構(gòu)
桿支撐并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人最常用的一種機構(gòu)，它具有剛性強、載重能力高的優(yōu)點，與繩牽引機構(gòu)相比運用的范圍較廣，與鋼帶并聯(lián)機構(gòu)相比，它的剛度更加大，現(xiàn)下我國對并聯(lián)機器人剛度的對比都是根據(jù)桿支撐并聯(lián)機構(gòu)來進行對比的，剛度分為靜剛度與動剛度兩種：
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上，對并聯(lián)機器人在工作時的靜剛度性能進行分析，同時將分析后的數(shù)據(jù)進行參考。
動剛度所分析得到的數(shù)據(jù)的物理意義是各不相同的，還沒有一個統(tǒng)一的標準來規(guī)范這些數(shù)據(jù)，因此一個統(tǒng)一的標準可以極大程度的推動研究部門對并聯(lián)機構(gòu)的剛度研究。動剛度是反應并聯(lián)機器人在運動情況下可承受的最大的力并且不發(fā)生形變的能力，是衡量一個并聯(lián)機器人能否抵抗外部動蕩的標準。當下國內(nèi)外對于動剛度的研究還很少，在并聯(lián)機器人的研發(fā)過程中，動剛度是十分重要的，動剛度直接決定了并聯(lián)機器人加工出的零件的內(nèi)在部件的穩(wěn)定性。對并聯(lián)機器人生產(chǎn)過程進行動剛度檢測，就可以使人們了解一個部件在加工過程中的整個受力情況。
4 并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)
并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)與桿支撐并聯(lián)機構(gòu)相比，繩牽引機構(gòu)具有單向受力性，只能承受拉力，不能承受壓力。因此在對繩牽引并聯(lián)機構(gòu)進行剛度分析時一般是繩牽引機構(gòu)在承受拉力的情況下進行的，繩牽引結(jié)構(gòu)在進行剛度測試時非常容易受到外界其他力的影響，因此要想使繩牽引機構(gòu)在只受到拉力的情況下進行剛度與靜力學分析，就要進行反復的實驗，繩牽引并聯(lián)機構(gòu)在工作時處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，因此在對靜剛度進行分析時要根據(jù)不同位置進行不斷的測試，在測試的過程中不僅耗費時間，也消耗了大量的經(jīng)費。因此構(gòu)造出一種簡潔的模型進行靜剛度的測試是十分必要的。
5 并聯(lián)機器人的鋼帶并聯(lián)機構(gòu)
鋼帶并聯(lián)機構(gòu)在國內(nèi)還沒有較大的研究成果，國內(nèi)對于鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的了解大部分都來源于國外的研究結(jié)果，在對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)進行分析時構(gòu)造了一種模型，該模型中的主要裝置是以鋼帶為運動副，鋼帶具有一定的彈性，表面具有一定的弧度，在受到較大的力時會發(fā)生一定程度的形變，在壓力較小時整個機構(gòu)是比較穩(wěn)定的，在壓力過大，超過整個鋼帶能夠承受的力的極限時，就會導致整個并聯(lián)機器人內(nèi)部失去平衡，因此在并聯(lián)機器人內(nèi)部使用鋼帶并聯(lián)機構(gòu)時要先對鋼帶承受的最大力進行分析，多次測量臨界值后再將鋼帶并聯(lián)機構(gòu)應用于并聯(lián)機器人內(nèi)部。鋼帶并聯(lián)機構(gòu)與繩牽引機構(gòu)與桿支撐機構(gòu)不同，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)不僅可以像桿支撐機構(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)，如果機構(gòu)所承受的壓力大于鋼帶受力的臨界值就會使并聯(lián)機器人內(nèi)部失去平衡。
鋼帶并聯(lián)機構(gòu)使用于并聯(lián)機器人內(nèi)部，在并聯(lián)機器人高速運動過程中就會由于鋼帶質(zhì)量較小，厚度不夠而產(chǎn)生輕微的震動，在并聯(lián)機器人外部就表現(xiàn)為機器人的行為顫動，因此對于鋼帶機構(gòu)的并聯(lián)機器人的動剛度與靜剛度的研究是十分重要的。通過大量的模擬實驗得到的數(shù)據(jù)表示，靜剛度與鋼帶機構(gòu)并聯(lián)是否失去平衡為主要依據(jù)，動剛度與鋼帶的震動頻率和大小有關(guān)，由此我們可以知道，在并聯(lián)機器人失去平衡時的剛度是最小的，因此在并聯(lián)機器人使用過程中應盡量減少鋼帶由于承受壓力過大而發(fā)生震動的現(xiàn)象。如果壓力過大超過鋼帶所能承受的壓力的最大值，將會使得鋼帶并聯(lián)機構(gòu)變形，在鋼帶并聯(lián)機構(gòu)變形時進行靜力學分析是沒有意義的，得出的相關(guān)數(shù)據(jù)與繩牽引結(jié)構(gòu)的靜力學分析沒有太大的區(qū)別。
6 通過研究三種并聯(lián)機構(gòu)得出的相關(guān)結(jié)論
①經(jīng)過大量的實驗模擬我們可以知道，桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的剛度較大，在進行剛度分析時，利用相關(guān)模型計算分析桿支撐機構(gòu)的剛度的方法更加簡單，計算得出的結(jié)果準確度更加高，但很多情況下桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的模型較大，且進行剛度分析時不同的狀態(tài)下分析得到的結(jié)果也是不同的，因此在研究時工作量十分巨大，還會消耗大量的人力和物理，只以這種方法測量桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的剛度是不可行的，不利于以后對于并聯(lián)機器人剛度與靜力學相關(guān)研究。在建立相關(guān)的模型進行靜剛分析時，大多數(shù)的關(guān)注點只是在構(gòu)件的彈性大小上，忽略了其他因素的影響，這樣就會將低模型預測的準確性。并且當下國內(nèi)外對于評價并聯(lián)機器人剛度大小的依據(jù)不相同，沒有一個準確的標準進行評價，與靜力學研究的相關(guān)科研人員還要對靜剛度評價的依據(jù)與評價的使用條件與范圍做一個規(guī)范。學者在對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學進行研究分析時還要應用多種方法，多實驗，這樣才能得出更加準確的數(shù)據(jù)與理論。
②并聯(lián)機器人的繩牽引并聯(lián)機構(gòu)在工作時只受到單一的拉力，因此該機構(gòu)在國內(nèi)外應用的范圍較小，只應用于并聯(lián)機器人只承受拉力的領(lǐng)域中，經(jīng)過大量的研究與文獻查找發(fā)現(xiàn)，繩牽引機構(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，還與繩牽引機構(gòu)的繩子的彈性大小有關(guān)，相比于桿支撐機構(gòu)與鋼帶并聯(lián)機構(gòu)，繩牽引機構(gòu)在進行剛度與靜力學研究時更容易受到外在條件的干擾，因此在對繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人進行研究時要克服外在的因素對繩子的干擾。對繩牽引機構(gòu)進行剛度與靜力學分析時的難點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算到里面，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)論也是比較準確的。
?、垆搸Р⒙?lián)機構(gòu)具有特殊的結(jié)構(gòu)，既可以像繩牽引機構(gòu)一樣承受拉力，也可以像桿支撐機構(gòu)一樣承受壓力，但與桿支撐機構(gòu)的并聯(lián)機器人相比，鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人的剛度是較小的。鋼帶并聯(lián)機構(gòu)雖然可以承受多種力的作用，但是鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人在工作時鋼帶容易失去平衡，失去平衡后的鋼帶容易發(fā)生震動，因此在并聯(lián)機器人使用鋼帶并聯(lián)機構(gòu)時要先對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的失衡情況和原因進行分析，分析后再對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人進行剛度與靜力學分析，這樣得到的數(shù)據(jù)更加準確。想要得到更加科學的研究結(jié)果就要進行更多的研究與實驗，目前中國乃至全世界對于鋼帶并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)機器人的研究和使用案例較少，因此在對鋼帶并聯(lián)機構(gòu)進行剛度和靜力學相關(guān)研究時還要借鑒桿支撐機構(gòu)并聯(lián)機器人與繩牽引機構(gòu)并聯(lián)機器人的相關(guān)研究結(jié)論。
結(jié)束語
隨著科技的發(fā)展，人們對于機器人的需求也越來越大?，F(xiàn)下國內(nèi)外的眾多科研人員與學者已經(jīng)對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學研究有了初步的成果，但研究成果已經(jīng)不能滿足當下對并聯(lián)機器人的使用需求，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，因此需要對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學進行更深入的研究，由于并聯(lián)機器人的體積較大，在研究過程中使用模型解析法還有很多不方便的地方，因此要對并聯(lián)機器人的剛度與靜力學進行下一步的研究還要對研究方法進行改善，隨著科技的發(fā)展，多元化的研究方法很快就可以應用于并聯(lián)機器人的剛度與靜力學研究，并且能夠更加快速簡便的得出想要分析的數(shù)據(jù)，大大提高工作效率。并聯(lián)機器人的相關(guān)研究不僅可以解決我國人口老齡化現(xiàn)象，解決勞動力缺乏的問題，還可以使加工后的產(chǎn)品更加精細。在不久的將來，一旦并聯(lián)機器人大范圍的應用于生產(chǎn)領(lǐng)域，我國的經(jīng)濟實力也將再上一個臺階。
發(fā)表人：南京全控 相鐵武
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