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並聯式機構介紹
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並聯式機構介紹

機械系 李德美 助理教授

  在機器人發展的初期,所有的機器人都是串聯式的機構。這裡所指的串聯式的機構,是指運動鏈是一個開放的運動鏈,也就是說所有的運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈。相反的,並聯式機構運動桿件確定有形成一個封閉的結構鏈。並聯式機構的概念源自 Bricard,在 1965 年時 Stewart 發表 Steward platform,是六自由度的並聯式設計,後被用來作為飛行模擬器,以便訓練飛行員之駕駛技巧,Steward platform 成為飛行模擬器之標準機構。MacCallion 根據 Steward platform 設計出一並聯式機械手臂,使用於裝配線上,以便達成自動化之目的。此後,Steward platform 被稱為並聯式機器人之始祖。

  雖然並聯式機器人早在 1965 年已經開始發展,但是他更進一步的研究及發展是十分緩慢。一直到 1983 年 Hunt 提出一不同種類的並聯式機器人,也對於並聯式機器人展開機構分析。並聯式的機構是從兩個自由度到六個自由度的空間機構,並聯機構運動學及動力學的分析非常困難,並會有機構的奇異行為,研究進展一直很少。1985 年 Merlet 使用幾何學分析法後,並聯式的機構運動學工作有迅速的進展。無論是從定位系統、輔助醫療技術手術系統、防振平台、工具機等等聯式機器人之機構,在 80 年有相當廣泛應用發展。

  並聯式機構的優點有高剛性、承受高負載、結構不易彎曲變形、不易有動態誤差、低慣性與構造簡單等,可以改善串聯式機構傳統機器人很難突破的根本限制,例如:機架及運動軸重量太大導致結構彎曲變形,進給軸加速不易導致動態誤差,各軸及元件誤差累積導致系統整合誤差難以下降。並聯式機構因為高剛性且構造簡單,有很大的潛力可以克服前述困難,提供下一代機器人所需的運動機構。

  研究並聯式機構所面臨的挑戰 : 1. 工作空間的優化:目前僅以可以算出並聯式的機構工作空間,但因為該工作空間非常複雜而且窄小,如何增加並聯式的機構工作空間是一大挑戰。2. 奇異點的尋求及解析:並聯式的機構在奇異點時接頭受力會急劇增高,而導致馬達扭力不足、接頭及連桿產生變形而破壞。目前可以計算奇異點位置,卻欠缺適當的運動路徑規劃,以避免奇異點位置。3. 空間機構學知識與傳統工具機技術整合不足,相關知識整合及分析是在研究並聯式機構的當務之急。

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