并联机器人刚度与静力学相关研究

相铁武

摘要：随着我国经济的发展，科研水平的提高，人工智能技术和机器人已经逐步进入我们的日常生活，很多工业领域已经开始投入使用机器人生产产品，当下投入使用的机器人种类主要有两种，一种是串联机器人，一种是并联机器人，并联机器人与串联机器人相比具有更精确、工作强度更大、灵敏度更高的优点。本文就并联机器人的刚度与静力学分析两方面进行了深入的探讨，随着我国科研行业对并联机器人研究力度的加大，并联机器人在未来也将会有更加完善的理论体系，将会大范围的应用于国内外的生产制造领域。

Abstract： With the development of China's economy and the improvement of scientific research， artificial intelligence technology and robots have gradually entered our daily life. Many industrial fields have begun to use robots to produce products. There are two main types of robots currently in use. One is the serial robot， and the other is the parallel robot. Compared with a serial robot， the parallel robot has the advantages of more accuracy， greater work intensity and higher sensitivity. This article has conducted in-depth discussions on the stiffness and static analysis of parallel robots. With the increasing research efforts on parallel robots in China's scientific research industry， parallel robots will also have a more complete theoretical system in the future， and will widely used in the manufacturing field at home and abroad.

关键词：并联机器人;静力学分析;刚度

Key words： parallel robot;static analysis;stiffness

中图分类号：TP242                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0250-02

0  引言

人工智能与机器人是国内外科研领域近几年研究的重难点，尤其是并联机器人的刚度与静力学的相关研究，并联机器人的刚度与静力学研究是衡量并联机器人好坏的重要标准，现下最常见的并联机器人有杆支撑并联机器人与绳牵引并联机器人，钢带机构并联机器人是一种新型机构，在使用前还需要进行严密的测试与分析。

1  并联机器人的主要构造分析

并联机器人在我国研发相对较晚，但是与串联机器人相比，并联机器人有更大的刚度，在实际应用过程中更加稳定，并联机器人在工作时不需要随身携带电机，与串联机器人相比质量较小，也因此在工作过程中产生的惯性要远远小于并联机器人。从并联机器人工作时的结构来看，并联机器人主要分为杆支撑结构与绳牵引结构，杆支撑结构与绳牵引结构相比柔性较小，主要有刚性杆和滚珠组成，绳牵引结构虽然柔性较大，但是主要受力是绳子的牵引力，受力较为单一的缺点。随着科研人员的研究，新的钢带并联结构也开始应用于并联机器人的工作过程中，钢带并联结构结合了杆支撑结构与绳牵引结构的优点，钢带并联机构在实际应用过程中具有工作空间大，运动速度与杆支撑机构的并联机器人相比也更加快，与绳牵引机构相比，钢带并联机构的结构较简单，在进行力学与动力学分析时更加简单。

2  刚度

刚度是评价并联机器人好坏的主要指标，刚度包括静刚度和动刚度两种。刚度与并联机器人的结构有关，还与机器人的各个参数有关，影响机器人刚度的因素有多种，因此不是只在一方面达到最好就可以使并联机器人的刚度達到最好，想要设计出刚度更好的并联机器人，就要在他们的结构以及各方面的参数上进行研究，多次对比后才能研制出刚度较高的并联机器人。

3  并联机器人的杆支撑并联机构

杆支撑并联机构是并联机器人最常用的一种机构，它具有刚性强、载重能力高的优点，与绳牵引机构相比运用的范围较广，与钢带并联机构相比，它的刚度更加大，现下我国对并联机器人刚度的对比都是根据杆支撑并联机构来进行对比的，刚度分为静刚度与动刚度两种：

现有的静刚度分析法包括模型分析法和性能分析法两种。模型分析法就是在建立一个模型，模拟力与受力物体变形之间的关系，静刚度分析是在静刚度模型分析的基础上，对并联机器人在工作时的静刚度性能进行分析，同时将分析后的数据进行参考。

动刚度所分析得到的数据的物理意义是各不相同的，还没有一个统一的标准来规范这些数据，因此一个统一的标准可以极大程度的推动研究部门对并联机构的刚度研究。动刚度是反应并联机器人在运动情况下可承受的最大的力并且不发生形变的能力，是衡量一个并联机器人能否抵抗外部动荡的标准。当下国内外对于动刚度的研究还很少，在并联机器人的研发过程中，动刚度是十分重要的，动刚度直接决定了并联机器人加工出的零件的内在部件的稳定性。对并联机器人生产过程进行动刚度检测，就可以使人们了解一个部件在加工过程中的整个受力情况。

4  并联机器人的绳牵引并联机构

并联机器人的绳牵引并联机构与杆支撑并联机构相比，绳牵引机构具有单向受力性，只能承受拉力，不能承受压力。因此在对绳牵引并联机构进行刚度分析时一般是绳牵引机构在承受拉力的情况下进行的，绳牵引结构在进行刚度测试时非常容易受到外界其他力的影响，因此要想使绳牵引机构在只受到拉力的情况下进行刚度与静力学分析，就要进行反复的实验，绳牵引并联机构在工作时处于一个动态平衡的状态，因此在对静刚度进行分析时要根据不同位置进行不断的测试，在测试的过程中不仅耗费时间，也消耗了大量的经费。因此构造出一种简洁的模型进行静刚度的测试是十分必要的。

5  并联机器人的钢带并联机构

钢带并联机构在国内还没有较大的研究成果，国内对于钢带并联机构的了解大部分都来源于国外的研究结果，在对钢带并联机构进行分析时构造了一种模型，该模型中的主要装置是以钢带为运动副，钢帶具有一定的弹性，表面具有一定的弧度，在受到较大的力时会发生一定程度的形变，在压力较小时整个机构是比较稳定的，在压力过大，超过整个钢带能够承受的力的极限时，就会导致整个并联机器人内部失去平衡，因此在并联机器人内部使用钢带并联机构时要先对钢带承受的最大力进行分析，多次测量临界值后再将钢带并联机构应用于并联机器人内部。钢带并联机构与绳牵引机构与杆支撑机构不同，钢带并联机构不仅可以像杆支撑机构一样承受较大的压力，还可以承受较大的拉力，它的受力是多向的。经过多次研究分析发现，钢带并联机构所能承受的最大压力与钢带的材料与弧度有关，如果机构所承受的压力大于钢带受力的临界值就会使并联机器人内部失去平衡。

钢带并联机构使用于并联机器人内部，在并联机器人高速运动过程中就会由于钢带质量较小，厚度不够而产生轻微的震动，在并联机器人外部就表现为机器人的行为颤动，因此对于钢带机构的并联机器人的动刚度与静刚度的研究是十分重要的。通过大量的模拟实验得到的数据表示，静刚度与钢带机构并联是否失去平衡为主要依据，动刚度与钢带的震动频率和大小有关，由此我们可以知道，在并联机器人失去平衡时的刚度是最小的，因此在并联机器人使用过程中应尽量减少钢带由于承受压力过大而发生震动的现象。如果压力过大超过钢带所能承受的压力的最大值，将会使得钢带并联机构变形，在钢带并联机构变形时进行静力学分析是没有意义的，得出的相关数据与绳牵引结构的静力学分析没有太大的区别。

6  通过研究三种并联机构得出的相关结论

①经过大量的实验模拟我们可以知道，杆支撑并联机构的刚度较大，在进行刚度分析时，利用相关模型计算分析杆支撑机构的刚度的方法更加简单，计算得出的结果准确度更加高，但很多情况下杆支撑并联机构的模型较大，且进行刚度分析时不同的状态下分析得到的结果也是不同的，因此在研究时工作量十分巨大，还会消耗大量的人力和物理，只以这种方法测量杆支撑并联机构的刚度是不可行的，不利于以后对于并联机器人刚度与静力学相关研究。在建立相关的模型进行静刚分析时，大多数的关注点只是在构件的弹性大小上，忽略了其他因素的影响，这样就会将低模型预测的准确性。并且当下国内外对于评价并联机器人刚度大小的依据不相同，没有一个准确的标准进行评价，与静力学研究的相关科研人员还要对静刚度评价的依据与评价的使用条件与范围做一个规范。学者在对并联机器人的刚度与静力学进行研究分析时还要应用多种方法，多实验，这样才能得出更加准确的数据与理论。

②并联机器人的绳牵引并联机构在工作时只受到单一的拉力，因此该机构在国内外应用的范围较小，只应用于并联机器人只承受拉力的领域中，经过大量的研究与文献查找发现，绳牵引机构的刚度只与绳子的刚度与能够承受的最大拉力有关，机构的刚度在工作过程中随着拉力的增大而增大，随拉力的减小而减小，除了受到拉力的影响，还与绳牵引机构的绳子的弹性大小有关，相比于杆支撑机构与钢带并联机构，绳牵引机构在进行刚度与静力学研究时更容易受到外在条件的干扰，因此在对绳牵引并联机构的并联机器人进行研究时要克服外在的因素对绳子的干扰。对绳牵引机构进行刚度与静力学分析时的难点是绳容易受到外在的力的干扰，发生变形，但可以利用特殊的算法将这些因素带来的误差计算到里面，得到的相关数据与结论也是比较准确的。

③钢带并联机构具有特殊的结构，既可以像绳牵引机构一样承受拉力，也可以像杆支撑机构一样承受压力，但与杆支撑机构的并联机器人相比，钢带并联机构的并联机器人的刚度是较小的。钢带并联机构虽然可以承受多种力的作用，但是钢带并联机构的并联机器人在工作时钢带容易失去平衡，失去平衡后的钢带容易发生震动，因此在并联机器人使用钢带并联机构时要先对钢带并联机构的失衡情况和原因进行分析，分析后再对钢带并联机构的并联机器人进行刚度与静力学分析，这样得到的数据更加准确。想要得到更加科学的研究结果就要进行更多的研究与实验，目前中国乃至全世界对于钢带并联机构的并联机器人的研究和使用案例较少，因此在对钢带并联机构进行刚度和静力学相关研究时还要借鉴杆支撑机构并联机器人与绳牵引机构并联机器人的相关研究结论。

7  结束语

随着科技的发展，人们对于机器人的需求也越来越大。现下国内外的众多科研人员与学者已经对并联机器人的刚度与静力学研究有了初步的成果，但研究成果已经不能满足当下对并联机器人的使用需求，在使用过程中出现的问题有很多是没有相关理论去解释的，因此需要对并联机器人的刚度与静力学进行更深入的研究，由于并联机器人的体积较大，在研究过程中使用模型解析法还有很多不方便的地方，因此要对并联机器人的刚度与静力学进行下一步的研究还要对研究方法进行改善，随着科技的发展，多元化的研究方法很快就可以应用于并联机器人的刚度与静力学研究，并且能够更加快速简便的得出想要分析的数据，大大提高工作效率。并联机器人的相关研究不仅可以解决我国人口老龄化现象，解决劳动力缺乏的问题，还可以使加工后的产品更加精细。在不久的将来，一旦并联机器人大范围的应用于生产领域，我国的经济实力也将再上一个台阶。

参考文献：

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