剛柔耦合3D印表機器人關鍵技術及應用 錢森 李元 訾斌 9787030825865 【台灣高等教育出版社】
物品所在地：中國大陸
原出版社：科學
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書名：剛柔耦合3D印表機器人關鍵技術及應用
ISBN：9787030825865
出版社：科學
著編譯者：錢森 李元 訾斌
頁數：202
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書號：1745196
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內容簡介
《剛柔耦合3D打印機器人關鍵技術及應用》系統地介紹了剛柔耦合3D打印機器人關鍵技術及應用，涵蓋了大空間剛柔耦合機器人的基礎知識、關鍵技術及應用案例，《剛柔耦合3D打印機器人關鍵技術及應用》內容涉及機械、控制、計算機、人工智能等多學科與多技術的交叉領域，將大空間剛柔耦合機器人、智能裝備集成技術與增材製造技術進行了結合應用。《剛柔耦合3D打印機器人關鍵技術及應用》剛柔耦合 3D 打印機器人的開發及其關鍵技術在製造、建築、康復等領域的示範應用案例，為 3D 打印裝備的開發與應用提供了理論與實踐依據，為大空間高效高質 3D 打印技術與裝備創新提供了新的途徑。
目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論 1
1 1 剛柔耦合3D打印機器人概述 1
1 2 剛柔耦合機構國內外研究現狀 4
1 3 增材製造技術國內外研究現狀 9
1 4 剛柔耦合3D打印機器人主要應用領域 10
參考文獻 10
第2章 剛柔耦合3D打印機器人運動學與動力學分析 15
2 1 運動學模型及仿真 16
2 1 1 逆運動學及仿真 18
2 1 2 正運動學及仿真 22
2 2 動力學模型及仿真 23
2 3 本章 小結 25
參考文獻 25
第3章 剛柔耦合3D打印機器人工作空間分析 27
3 1 正索力工作空間 28
3 1 1 末端執行器理論位姿空間 28
3 1 2 正索力工作空間求解 29
3 2 索長工作空間 32
3 2 1 索長工作空間定義 32
3 2 2 索長工作空間求解及範圍影響因素分析 34
3 3 靜態可行工作空間 39
3 3 1 靜態可行工作空間定義 39
3 3 2 靜態可行工作空間求解及範圍影響因素分析 40
3 3 3 工作空間索力均勻分佈情況分析 44
3 4 本章 小結 47
參考文獻 48
第4章 剛柔耦合3D打印機器人剛度及穩定性分析 49
4 1 柔索驅動並聯3D打印機靜剛度分析 51
4 2 柔索驅動並聯3D打印機穩定性分析 53
4 3 本章 小結 56
參考文獻 56
第5章 剛柔耦合3D打印機器人誤差分析與自標定 58
5 1 機構誤差分析 59
5 1 1 機構的誤差建模 59
5 1 2 機構的靈敏度分析 62
5 2 運動學自標定研究 67
5 2 1 自標定位置的選擇 68
5 2 2 運動學參數的誤差識別 71
5 2 3 自標定方法的仿真實驗驗證 76
5 3 本章 小結 79
參考文獻 79
第6章 剛柔耦合3D打印機器人動力學軌跡規劃 81
6 1 B 樣條*線的改進 82
6 2 操作空間 B 樣條軌跡規劃 84
6 2 1 B 樣條*線的插值方法 84
6 2 2 多目標*優軌跡規劃 91
6 3 軌跡規劃數值仿真與結果分析 97
6 4 本章 小結 99
參考文獻 99
第7章 剛柔耦合3D打印機器人索力分配優化與運動控制系統設計 101
7 1 剛柔耦合3D打印機器人索力分配優化 102
7 1 1 驅動繩索張力分配優化 102
7 1 2 彈簧單向變力索力優化 103
7 1 3 彈簧多向變力索力優化 106
7 2 剛柔耦合3D打印機器人運動控制器設計 110
7 2 1 剛柔耦合3D打印機器人運動控制原理分析 110
7 2 2 PID 控制器 110
7 2 3 基於雙*正切函數的滑模控制器 111
7 3 剛柔耦合3D打印機器人運動控制策略仿真分析 114
7 4 本章 小結 119
參考文獻 120
第8章 剛柔耦合3D打印機器人實驗研究 122
8 1 被動張緊剛柔耦合3D打印機器人樣機開發 123
8 2 改進主動張緊剛柔耦合3D打印機器人樣機開發 126
8 3 實驗數據采集與處理 127
8 4 剛柔耦合3D打印機器人標定實驗 132
8 4 1 剛柔耦合3D打印機器人運動學標定實驗 132
8 4 2 剛柔耦合3D打印機器人自標定實驗 138
8 5 基於 5 次 B 樣條的軌跡規劃實驗 144
8 6 索力分配以及精度補償控制實驗 147
8 7 剛柔耦合3D打印機器人視覺反饋控制實驗 152
8 8 本章 小結 156
參考文獻 156
第9章 大空間剛柔耦合機器人應用 158
9 1 剛柔耦合3D打印機器人在建築領域的應用 158
9 1 1 剛柔耦合3D打印機器人的整體結構 158
9 1 2 剛柔耦合3D打印機器人陶土打印實驗 166
9 2 剛柔耦合腰部康復機器人應用 167
9 2 1 面向患者需求的腰部康復實驗平臺構建 167
9 2 2 剛柔耦合腰部康復機器人運動學分析 171
9 2 3 軌跡規劃技術在腰部康復領域的應用 178
9 3 大空間多機協作吊裝柔索並聯構型裝備的應用 182
9 3 1 多機協作吊裝機器人動力學 182
9 3 2 改進蟻群算法 189
9 3 3 多機協作吊裝機器人路徑規劃 192
9 3 4 數值仿真分析 195
9 4 本章 小結 201
參考文獻 202
精彩書摘
第1章 緒論
1 1 剛柔耦合 3D 打印機器人概述
3D 打印技術起源於 20 世紀 80 年代末期，本質是一種增材製造、快速成型技術。它以構建好的三維模型為基礎，使用工程塑料或者粉末狀的金屬材料作為成型材料，通過高溫變形、熔融堆積的逐層打印方式來完成 3D 打印任務。3D 打印技術一經亮相，迅速風靡全球的各大應用場合。經過數十年的長足發展，已經在工業、醫學、建築等領域得到廣泛應用 [1]。中商產業研究院發佈的《2024—2029年中國 3D 打印市場需求預測及發展趨勢前瞻報告》顯示，2022 年中國 3D 打印市場規模約為 320 億元，同比增長 20 75％，2023 年市場規模達 367 億元。中商產業研究院分析師預測，2024 年市場規模將達 415 億元。2018～2024 年中國 3D打印市場規模如圖 1 1 所示。
圖 1 1 中國 3D 打印市場規模
E 表示預期值
在數字化製造的浪潮下放眼全球，Wohlers 報告發佈的數據顯示，2023 年全球增材製造市場規模達到 1454 億元人民幣，預計到 2030 年將增長至 2150 萬台，複合年增長率為 23 3％。北美洲和歐洲繼續領先，而亞太地區正在迅速追趕。具體的世界 3D 打印產業區域結構情況如圖 1 2 所示。中國 3D 打印產業起步較晚，雖然在技術上有一定的差距，但也不斷地向著多領域精細化發展。目前中國3D 打印行業正在經歷著從單一的技術驅動型行業向產業鏈整合型行業的轉型，並且正在不斷推動產業的升級。隨著以信息技術為核心的新一輪科技革命孕育興起，全球提出 “工業 4 0：*後一次工業革命” 的高新技術戰略 [2]。我國提出了 “中國製造 2025” [3]，這是中國版的 “工業 4 0” 發展規劃，而 3D 打印技術正是助力創新驅動的基石，廣泛地應用在多個領域，解決了工業製造中傳統製造工藝，如鍛造、機加工、焊接等環節 存在的效率低下和工期耗時長等問題。中國增材製造產業聯盟統計數據顯示，在應用領域方面，由於工業機械、汽車製造、航空航天等領域對於機械構件的表面質量要求嚴格、定制化需求高，因此，我國 3D 打印應用主要集中於工業機械、航空航天、汽車製造等領域，三者合計占比超過 50％，其中工業機械領域應用占比 20％，航空航天領域應用占比 19％，在建築領域的占比僅僅為 1％。中國詳細的 3D 打印應用領域格局如圖 1 3 所示。
圖 1 2 世界 3D 打印產業區域結構
圖 1 3 中國 3D 打印應用領域
3D 打印技術的發展勢頭強勁，正在多個領域迅速擴展。它不僅在大型工業機械製造領域取得了飛速的發展，也日益滲透到大眾的日常生活中。在新冠疫情期間，衛生醫療用品急劇短缺，口罩、呼吸機以及用於檢測的鼻拭子和咽拭子等第1用品供不應求。全球各國如中國、美國、俄羅斯等的 3D 打印技術開發商緊急投入數千台打印機，截至 2022 年末，已經 3D 打印生產出超一億支核酸檢測鼻拭子，用於新冠病毒檢測。圖 1 4 為 3D 打印出來的鼻拭子以及護目鏡。運用 3D打印技術生產的醫療用品，所需要的材料成本大大下降，解決了大型工業生產中浪費大量生產原料的問題，更加有效地保護了環境，實現了綠色生產。3D 打印技術為疫情防控的難題提供了新的解決方式，進一步反映了 3D 打印技術在日常生活中應用的廣泛性和重要性。
圖 1 4 3D 打印醫療用品
隨著 3D 打印技術的日益完善，越來越多的物品可以通過 3D 打印技術來完成。由於 3D 打印技術又稱增材製造技術，具有生產效率高、生產成本低等優勢，近年來，人們將其不僅用於一些機械製造金屬零件、醫用硅膠製品的製作，還用於傳統的建築行業。2013 年 1 月，荷蘭建築師 Janjaap Ruijssenaars 與意大利發明家 Enrico Dini 一起合作，他們利用包含沙子和無機黏合劑的混合材料，通過3D 打印技術打印出建築框架，隨後用纖維強化混凝土填充，*終打印出了第1座3D 打印建築——Landscape House。圖 1 5 為 3D 打印的房屋。這種 3D 打印房屋的一體化成型技術不僅大大節 省了勞動力，而且縮短了建造週期。
3D 打印建築機構一般是傳統的剛性串聯機構，通過長的剛性臂杆運動來實施打印任務 (圖 1 6)。這種傳統的剛性串聯機構具有運動空間大、運動控制簡單、操作成本低等優點 [4-6]，不過在實際的運行過程中，剛性構件使得末端執行器的運動慣量增大、運動誤差有一定的累積。目前來看，3D 打印機構的結構類型主要分為剛性串聯的 xyz 箱體機構，剛性並聯的 Delta 機構。剛性並聯的機構相對於串聯的機構來說，其進行 3D 打印任務時的運動精度更高，剛度更大，並且運動的累積誤差更小，不過由於機構本身的設計限制，存在相互約束的剛性運動支鏈，其工作時的運動空間較小，工作的效率也遠不如剛性串聯機構。結合以上類型機構的優缺點，將繩索引入 3D 打印的機構中，由於繩索的高延展性、輕量化，可以大大地增加運行時的工作空間，減小末端運動時的慣性。因此，繩驅動剛柔耦合機器人應運而生，使得 3D 打印任務有了更加廣闊的前景。由於繩索單向受力的特性，在繩索驅動的過程中，末端執行器的運動平穩性以及運動精度難以保證。此時，針對繩索的優化方法顯得格外重要，現如今也成為科研的熱點問題。因此進一步地探究出具體的誤差影響因素，提高運行過程中的位置精度，對於未來多領域的精細化發展具有重大意義。
圖 1 5 3D 打印房屋 圖 1 6 剛性串聯 3D 打印建築機構
1 2 剛柔耦合機構國內外研究現狀
繩驅動剛柔耦合 3D 陶土打印機構通過柔性繩索進行驅動，基本框架為剛性正三棱柱結構，由繩驅動運動控制系統、3D 陶土打印噴頭運動控制系統一起配合完成打印任務，由於上、下兩部分繩索以及外部框架的約束，構成了繩驅動的剛柔耦合機器人，其具有結構簡單、工作空間大、可重構性高等優點。從機構學的角度來看，機器人可分為串聯機器人和並聯機器人兩類；從驅動構件的特性來看，機器人可劃分為柔性機器人和剛性機器人兩類。繩驅動剛柔耦合機器人從屬_xFFFF_柔性並聯機器人的大類，具有柔性並聯機器人的一般特性。國外早在 20 世紀 80 年代初期開始研究柔性並聯機器人，經過多年的發展，已經形成了多種剛柔耦合構型，這些構型種類繁多，各不相同。在 2004 年，德國杜伊斯堡-埃森大學的學者Verhoeven 等 [7] 按照機構末端執行器的自由度數目 n 和機構的繩索數量 m 的映射關係，將繩驅動並聯機器人進行了類別區分。
(1) 當 n+1>m 時，稱此類繩驅動並聯機構為欠約束機構。
(2) 當 n+1=m 時，稱此類繩驅動並聯機構為完全約束機構。
(3) 當 n+1 上述三種不同類型的繩驅動並聯機構，在驅動末端執行器的運動過程中，繩索都需要一直保持張緊狀態。中國礦業大學的錢森 [8] 所設計的多起重機協作柔索並聯吊裝裝備就是典型的通過末端執行器的重力來使繩索保持張緊狀態。如圖 1 7(a) 所示，所設計的多起重機協作柔索並聯吊裝裝備為冗餘約束機構，在吊裝重物質量足夠大時，吊裝重物是完全約束的。Azizian 和 Cardou [9] 通過彈簧連接了上下的繩索，使得在運動過程中的繩索始終處於張緊狀態，設計了如圖1 7(b) 所示的平面彈簧並聯柔索驅動機構，解決了維度綜合問題，即尋找機構的幾何工作空間。合肥工業大學的陳橋等 [10] 設計了一種新型的柔索驅動並聯腰部康復機器人，如圖 1 7(c) 所示，考慮到了人體下肢剛性構件和運動平臺的耦合性，基於拉格朗
