并联式三轴机器人机构及位置运动学分析.pdfVIP

並聯式三軸機器人機構及位置運動學分析 工業技術研究院 彭彥嘉、鍾享年 摘要 本文藉由已發展成熟的機器人理論，對工業機器人做運動學方面的分析，包 括描述三維空間中位置與方法的知識、正向運動學、逆向運動學等的探討，並以 目前並聯機器人的應用中，研究深度和實用化或商品化較高的Delta機器人為分 析實例。 一、前言 在機器人剛發展的時候，大部分的機器人都是串聯式的機構。這裡所指的串 聯式的機構（serial mechanism） ，是指運動鏈是一個開放的運動鏈（open loop kinematic chain），也就是說所有的運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈 （close loop kinematic chain）。 並聯式機構的概念源自 Bricard，在 1965 年時 Stewart 發表 Steward platform，如圖1，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。 圖1 Steward platform 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。 Page: 1/13 在20世紀80年代，瑞士洛桑工學院的Clavel首次提出Delta並聯機構 （圖 2），該型式機構已被開發為工業機器人，並且廣泛運用於產線生產與包裝（圖3）﹔ 而在醫療領域，由於定位精度要求較高，同時為了避免因人工操作可能出現的顫 抖，所以導入並聯微動機器人用於顯微外科手術，德國柏林洪堡大學（Humboldt University）醫學院手術機器人實驗室採用Delta機器人進行腦部手術（圖 4）。 圖2 Delta Robot 圖3 包裝機器人 Page: 2/13 圖4 手術機器人 二、並聯機器人特點 串聯式機構是一個開放的運動鏈（open loop kinematic chain） ，其所有的 運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈，串聯式機構特點包括： 1. 工作空間大。 2. 運動分析較容易。 3. 可避免驅動軸之間的耦合效應。 4. 機構各軸必須獨立控制，並且需搭配編碼器與感測器用來提高機構運動 時的精準度。 並聯機器人和傳統工業用串聯機器人在應用上構成互補關係，它是一個封閉 的運動鏈（close loop kinematic chain） ，和串聯機器人相比較，並聯機器人 具有以下特點： 1. 不易有動態誤差，無累積誤差，精度較高。 2. 運動慣性小。 3. 結構緊湊穩定，輸出軸大部份承受軸向應力，機器剛性高，承載能力大