병렬 조작기

Parallel manipulator
Hexapod 플랫폼의 추상 렌더링(Stewart Platform)

병렬 조작기는 단일 플랫폼 또는 엔드 이펙터를 지원하기 위해 여러 개의 컴퓨터 제어 직렬 체인을 사용하는 기계 시스템입니다.아마도 가장 잘 알려진 병렬 조작기는 비행 시뮬레이터와 같은 장치를 위한 이동 기반을 지지하는 6개의 선형 액추에이터로 구성된다.이 장치를 [1]처음 설계하고 사용한 엔지니어는 이 장치를 Stewart 플랫폼 또는 Gough-Stewart 플랫폼이라고 부릅니다.

MeKin2D로 시뮬레이션된 오버액션된 평면 병렬 마니 펄레이터.

병렬 로봇 또는 일반화된 Stewart 플랫폼(Stewart 플랫폼에서는 액추에이터가 기반과 플랫폼 모두에서 함께 페어링됨)이라고도 하는 이 시스템은 로봇 또는 하나 이상의 조작기 암에 유사한 메커니즘을 사용하는 관절형 로봇입니다.직렬 조작기와는 달리, 이러한 링크(또는 '암')의 엔드 이펙터(또는 '손')는 동시에 작동하는 여러 개의 분리되고 독립적인 링크에 의해 베이스에 직접 연결되어 있다는 점이 '병렬' 구별됩니다.기하학적 병렬성은 암시되지 않습니다.

설계 기능

병렬 조작기는 시리얼 조작기에 비해 각 체인이 일반적으로 짧고 단순하며 원치 않는 움직임에 대해 견고할 수 있도록 설계되어 있습니다.한 체인의 위치 결정 오차는 누적되는 것이 아니라 다른 체인과 함께 평균화됩니다.각 액추에이터는 직렬 로봇의 경우처럼 여전히 자체 자유도 내에서 움직여야 하지만, 병렬 로봇의 경우 조인트의 축 외 유연성 또한 다른 체인의 영향에 의해 제한됩니다.컴포넌트가 많을수록 점차적으로 강성이 떨어지는 시리얼 체인과는 달리 이 폐쇄 루프 강성이 컴포넌트에 비해 전체적인 병렬 조작기를 단단하게 만듭니다.

이러한 상호 보강을 통해 다음과 같은 간단한 시공도 가능합니다.스튜어트 플랫폼 육각류 체인은 임의의 축 유니버설 볼 조인트 사이에 프리즘 조인트 선형 액추에이터를 사용합니다.볼 조인트는 수동적입니다. 액추에이터나 브레이크 없이 자유롭게 이동할 수 있으며, 다른 체인에만 의해 위치가 제한됩니다.델타 로봇에는 가볍고 단단한 평행사변형 암을 움직이는 베이스 마운트형 회전식 액추에이터가 있습니다.이펙터는 이러한 암의 3개 팁 사이에 장착되며, 다시 간단한 볼 조인트로 장착할 수 있습니다.평행 로봇의 정적 표현은 종종 핀 조인트 트러스(pin-joint trus)와 유사합니다. 링크와 액추에이터는 구부러짐이나 토크 없이 장력 또는 압축만 느껴지며, 이는 축외 힘에 대한 유연성의 영향을 감소시킵니다.

병렬 조작기의 또 다른 장점은 무거운 액추에이터가 종종 단일 베이스 플랫폼에 중앙에 장착될 수 있다는 것입니다. 이때 암의 움직임은 스트럿과 조인트를 통해서만 이루어집니다.암을 따라 질량이 감소하므로 암 구조가 가벼워지고 액추에이터가 가벼워지고 움직임이 빨라집니다.이러한 질량의 중앙 집중화는 또한 로봇의 전체적인 관성 모멘트를 감소시켜 모바일 또는 보행 로봇에 이점이 될 수 있습니다.

이러한 모든 기능을 통해 광범위한 모션 기능을 갖춘 조작기가 탄생합니다.동작 속도는 단순한 출력이 아니라 강성에 의해 제한되는 경우가 많기 때문에 시리얼 조작기와 비교하여 빠르게 동작할 수 있습니다.

모바일성 저하

머니퓰레이터는 3개의 변환 3T 및 3개의 회전 3R 좌표에 의해 결정되는 최대 6개의 자유도(DoF)로 물체를 이동할 수 있어 완전한 3T3R 이동성을 얻을 수 있다.그러나 조작 태스크에 필요한 DoF가 6개 미만인 경우 DoF가 6개 미만인 저이동성 조작기를 사용하면 아키텍처의 단순화, 제어의 용이화, 동작의 고속화 및 비용 [2]절감 측면에서 이점을 얻을 수 있습니다.예를 들어, 3DoF Delta 로봇은 3T 이동성이 낮으며 빠른 선택 및 배치 변환 위치 지정 애플리케이션에서 매우 성공적인 것으로 입증되었습니다.이동성이 낮은 조작자의 워크스페이스는 'motion'과 'constraint' 서브스페이스로 분해될 수 있다.예를 들어 3DoF Delta 로봇의 모션 서브스페이스를 구성하는 3개의 위치 좌표가 구속 서브스페이스에 있다.하부 이동도 조작기의 운동 부분 공간은 독립된 (원하는) 부분 공간과 종속적인 부분 공간으로 더욱 분해될 수 있다: 조작기의 [5][6][7]원치 않는 움직임인 '부작용' 또는 '기생충' 운동으로 구성된다.기생 동작의 쇠약화 효과는 저이동성 조작기의 성공적인 설계에서 완화 또는 제거되어야 한다.예를 들어, 델타 로봇은 엔드 이펙터가 회전하지 않기 때문에 기생 모션이 없습니다.

시리얼 머니퓰레이터와의 비교

Stewart Platforms라고도 하는 헥사포드 포지셔닝 시스템.

대부분의 로봇 애플리케이션에는 강성이 필요합니다.직렬 로봇은 한 축에서 움직일 수 있지만 외부에서의 움직임에 대해서는 견고한 고품질 회전 조인트를 사용하여 이를 달성할 수 있습니다.또한 움직임을 허용하는 조인트는 액추에이터에 의해 의도적으로 제어된 상태에서 이러한 움직임을 유지해야 합니다.따라서 여러 축을 필요로 하는 이동에는 다수의 이러한 조인트가 필요합니다.한 조인트의 원치 않는 유연성 또는 흐트러짐은 암의 유사한 슬러시를 유발하며, 이는 조인트와 엔드 이펙터 사이의 거리에 의해 증폭될 수 있습니다. 즉, 한 조인트의 움직임을 다른 조인트에 대해 지탱할 수 있는 기회가 없습니다.필연적인 이력 및 축외 유연성은 암의 운동학적 체인을 따라 축적됩니다.정밀 직렬 조작기는 정밀도, 복잡도, 질량(조작자와 조작 대상물의) 및 비용 사이의 타협입니다.한편 병렬조작기에서는 (전하가 조작되는 것에 비해) 조작기의 작은 질량에 의해 높은 강성을 얻을 수 있다.이는 높은 정밀도와 빠른 이동 속도를 가능하게 하며, 비행 시뮬레이터(큰 질량을 가진 고속) 및 입자 가속기의 정전 또는 자기 렌즈(큰 질량을 배치하는 데 매우 높은 정밀도)에서 병렬 조작기를 사용하는 동기를 부여한다.

5바 평행[8] 로봇
초상화를 그리는[9] 델타 로봇 스케치

직렬 조작기와 비교하여 병렬 조작기의 단점은 작업 공간이 제한적이라는 것입니다.직렬 조작기의 경우, 작업 공간은 설계의 기하학적 및 기계적 한계(다리 최대 길이와 다리 최소 길이 사이의 충돌)에 의해 제한됩니다.작업공간은 또한 특이점의 존재에 의해 제한된다. 특이점은 이동 궤적의 일부에서 다리 길이의 변동이 위치의 변동보다 무한히 작은 위치이다.반대로, 단일 위치에서 엔드 이펙터에 가해지는 힘(중력 등)은 다리에 무한히 큰 제약을 유발하며, 이는 조작기의 일종의 "폭발"을 초래할 수 있다.단수 위치를 결정하는 것은 어렵습니다(일반 병렬 조작기의 경우, 이것은 미해결 문제입니다).이는 병렬 조작자의 작업 공간이 보통 특이점이 없다는 것을 아는 작은 영역으로 인위적으로 제한된다는 것을 의미한다.

병렬 조작기의 또 다른 단점은 비선형 동작입니다. 엔드 이펙터의 선형 또는 원형 이동을 얻는 데 필요한 명령은 작업 공간의 위치에 따라 크게 달라지며 이동 중에 선형으로 변경되지 않습니다.

적용들

이러한 장치의 주요 산업 응용 분야는 다음과 같습니다.

또, 다음과 같이 인기를 끌고 있습니다.

  • PCB 조립 등 작업공간이 제한된 고속 고정밀 위치 설정
  • 더 크지만 더 느린 직렬 조작기의 엔드 이펙터에 장착된 마이크로 조작기로서
  • 고속/고정밀밀링머신으로서

병렬로봇은 일반적으로 작업 공간에서 더 제한적입니다. 예를 들어, 일반적으로 장애물 주위에 도달할 수 없습니다.원하는 조작(전방 운동학)을 수행하는 데 관련된 계산도 일반적으로 더 어렵고 여러 가지 해법으로 이어질 수 있다.

4자유도 고속 병렬로봇 'PAR4'의 프로토타입.

인기 있는 병렬로봇의 두 가지 예는 스튜어트 플랫폼과 델타 로봇이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Merlet, J.P. (2008). Parallel Robots, 2nd Edition. Springer. ISBN 978-1-4020-4132-7.
  2. ^ Di, Raffaele (2006-12-01), Cubero, Sam (ed.), "Parallel Manipulators with Lower Mobility", Industrial Robotics: Theory, Modelling and Control, Pro Literatur Verlag, Germany / ARS, Austria, doi:10.5772/5030, ISBN 978-3-86611-285-8, retrieved 2020-12-03
  3. ^ 공간에서의 요소 이동 및 위치 결정 장치, R. Clabel - 미국 특허 4,976,582, 1990
  4. ^ R. Clavel, Delta: 평행 기하학을 가진 빠른 로봇, Proc 18 Int Symp Ind Robots; 호주 시드니(1988년), 페이지 91-100
  5. ^ Nigatu, Hassen; Yihun, Yimesker (2020), Larochelle, Pierre; McCarthy, J. Michael (eds.), "Algebraic Insight on the Concomitant Motion of 3RPS and 3PRS PKMs", Proceedings of the 2020 USCToMM Symposium on Mechanical Systems and Robotics, Cham: Springer International Publishing, vol. 83, pp. 242–252, doi:10.1007/978-3-030-43929-3_22, ISBN 978-3-030-43928-6, S2CID 218789290, retrieved 2020-12-13
  6. ^ Nigatu, Hassen; Choi, Yun Ho; Kim, Doik (2021-10-01). "Analysis of parasitic motion with the constraint embedded Jacobian for a 3-PRS parallel manipulator". Mechanism and Machine Theory. 164: 104409. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409. ISSN 0094-114X.
  7. ^ Nigatu, Hassen; Kim, Doik (2021-01-01). "Optimization of 3-DoF Manipulators' Parasitic Motion with the Instantaneous Restriction Space-Based Analytic Coupling Relation". Applied Sciences. 11 (10): 4690. doi:10.3390/app11104690.
  8. ^ "DexTAR - an educational parallel robot". Archived from the original on 2014-05-29.
  9. ^ "Sketchy, a home-constructed drawing robot". Jarkman.
  10. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2006-12-11. Retrieved 2007-03-29.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)

추가 정보

  • Lower mobility parallel manipulator simulation video
    [1][2]기생 모션이 있는 병렬 조작기.
    Gogu, Grigore (2008). Structural Synthesis of Parallel Robots, Part 1: Methodology. Springer. ISBN 978-1-4020-5102-9.
  • Gogu, Grigore (2009). Structural Synthesis of Parallel Robots, Part 2: Translational topologies with Two and Three Degrees of Freedom. Springer. ISBN 978-1-4020-9793-5.
  • Merlet, J.P. (2008). Parallel Robots, 2nd Edition. Springer. ISBN 978-1-4020-4132-7.
  • Kong, X.; Gosselin, C. (2007). Type Synthesis of Parallel Mechanisms. Springer. ISBN 978-3-540-71989-2.
  • Gallardo-Alvarado, J. (2016). Kinematic Analysis of Parallel Manipulators by Algebraic Screw Theory. Springer. ISBN 978-3-319-31124-1.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 병렬 로봇과 관련된 미디어가 있습니다.
  1. ^ Nigatu, Hassen; Choi, Yun Ho; Kim, Doik (2021-10-01). "Analysis of parasitic motion with the constraint embedded Jacobian for a 3-PRS parallel manipulator". Mechanism and Machine Theory. 164: 104409. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2021.104409. ISSN 0094-114X.
  2. ^ Nigatu, Hassen; Kim, Doik (2021-01-01). "Optimization of 3-DoF Manipulators' Parasitic Motion with the Instantaneous Restriction Space-Based Analytic Coupling Relation". Applied Sciences. 11 (10): 4690. doi:10.3390/app11104690.