《并聯(lián)機(jī)器人綜述》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《并聯(lián)機(jī)器人綜述（24頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、并聯(lián)機(jī)器人綜述 并聯(lián)機(jī)器人綜述 引言 并聯(lián)機(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精 度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，在21世紀(jì)將有廣闊 的發(fā)展前景。本文根據(jù)掌握的大量并聯(lián)機(jī)器人文獻(xiàn)，對(duì)其分類和應(yīng)用做了簡(jiǎn)要分 析和概括，并對(duì)其在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)性能分析等方面的主要研究成果、進(jìn) 展以及尚未解決的問題進(jìn)行了闡述。 第一章并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況 1.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)平臺(tái)或稱末端執(zhí)行器通過至少 2個(gè)獨(dú)立的運(yùn) 動(dòng)鏈與機(jī)架相聯(lián)接，必備的要素如下：①末端執(zhí)行器必須具有運(yùn)動(dòng)自由度；②這種 末端執(zhí)行器通過幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)鏈

2、或分支與機(jī)架相聯(lián)接；③每個(gè)分支或運(yùn)動(dòng) 鏈由惟一的移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)。 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少， 主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組 成。這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而其制造和庫存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿?傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)低得多，容易組裝和模塊化。 除了在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu) 勢(shì)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下： （1） 剛度質(zhì)量比大。因采用并聯(lián)閉環(huán)桿系 ，桿系理論上只承受拉、壓載荷， 是典型的二力桿，并且多桿受力，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的承載強(qiáng)度。 （2） 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越。運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕，慣性低，

3、可有效改善伺服控制器的動(dòng) 態(tài)性能,使動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度與加速度，適于高速數(shù)控作業(yè)。 （3） 運(yùn)動(dòng)精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比而言的，傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工誤 差是各個(gè)關(guān)節(jié)的誤差積累，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)的誤差可以相互抵消、 相互彌補(bǔ)， 因此，并聯(lián)機(jī)構(gòu)是未來機(jī)床的發(fā)展方向。 （4） 多功能靈活性強(qiáng)?？蓸?gòu)成形式多樣的布局和自由度組合 ,在動(dòng)平臺(tái)上安 裝刀具進(jìn)行多坐標(biāo)銑、磨、鉆、特種曲面加工等，也可安裝夾具進(jìn)行復(fù)雜的空間 裝配，適應(yīng)性強(qiáng)，是柔性化的理想機(jī)構(gòu)。 （5） 使用壽命長(zhǎng)。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不存 在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。 并

4、聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種新型機(jī)構(gòu)，也有其自身的不足，由于結(jié)構(gòu)的原因，它的運(yùn) 動(dòng)空間較小，而串并聯(lián)機(jī)構(gòu)則彌補(bǔ)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕，剛度大， 精度高的特點(diǎn)，又增大了機(jī)構(gòu)的工作空間，因此具有很好的應(yīng)用前景，尤其是少 自由度串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，適應(yīng)能力強(qiáng)，且易于控制，是當(dāng)前應(yīng)用研究中的一個(gè)新熱點(diǎn)。 1.2并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀. 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的最早應(yīng)用可以追溯到 1938年，Polladr提出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為 汽車噴漆裝置。Gough在1948年提出用一種關(guān)節(jié)連接的機(jī)器來檢測(cè)輪胎（見圖 1-1），而直到1962年才出現(xiàn)相關(guān)的文字報(bào)道。真正引起機(jī)構(gòu)領(lǐng)域研究人員注意 的是1965年，Setwart在他的一篇文章

5、提出了一種 6自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并建 議可以將該機(jī)構(gòu)用于飛行器（見圖1-2）、受人類控制的宇宙飛船，還可以作為新 型機(jī)床的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。J.Ti ndale建議將該形式的機(jī)構(gòu)用于礦山開采機(jī)構(gòu)和海上鉆 井平臺(tái)（見圖1-3）。1978年，澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)家 Hunt提出可以應(yīng)用6自由 度的Stweart平臺(tái)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)（見圖1-4）。Stweart平臺(tái)機(jī)構(gòu)最初起源 于Gough的法國(guó)汽車輪胎試驗(yàn)裝置，在1965年由Stewart將其用于飛行模擬器 后得名。1979年Mccallino等人首次設(shè)計(jì)出了在小型計(jì)算機(jī)控制下，在精密裝 中完成校準(zhǔn)任務(wù)的并聯(lián)機(jī)器人，從而真正拉開了并聯(lián)機(jī)器人研究的序幕，越

6、來越 多的學(xué)者投入到研究之中。到 80年代中期，國(guó)際上研究并聯(lián)機(jī)器人的人還廖寥 無幾，出的成果也不多，到S0年代末期特別是90年代以來，并聯(lián)機(jī)器人才廣為 注意，并成為了新的熱點(diǎn)，許多大型會(huì)議都設(shè)多個(gè)專題進(jìn)行討論， 國(guó)際上名的學(xué) 者有 Warldron，Roth， Gosselin， Fenton， Merlet，AngeleS 等。 1-2 Stewart 飛行模擬器 圖l-1 Gough的輪胎檢測(cè)裝置圖 圖1-3海上鉆井平臺(tái) 圖l-4 Hu nt機(jī)器人操作手 1.3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類與發(fā)展 在并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)體系中，有著多種機(jī)構(gòu)種類劃分方法。按照自由度劃分， 有2個(gè)自由度，3個(gè)自

7、由度，4個(gè)自由度，5個(gè)自由度和6個(gè)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 其中2到5個(gè)自由度機(jī)構(gòu)被稱為少自由度機(jī)構(gòu)。 按照機(jī)器人機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)劃分，可分 為平面結(jié)構(gòu)機(jī)器人，球面結(jié)構(gòu)機(jī)器人和空間結(jié)構(gòu)機(jī)器人。 其中空間6自由度并聯(lián) 機(jī)器人和平面、球面3自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)很早引起國(guó)際學(xué)者關(guān)注， 無論是理 論研究，還是應(yīng)用研究都比較深入。由于實(shí)際應(yīng)用需要不同的自由度機(jī)構(gòu)， 而且 有些場(chǎng)合只需要部分自由度，如 2, 3, 4或5個(gè)自由度就可以滿足要求，因此， 少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)。 少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)除了具有明 顯的經(jīng)濟(jì)性外，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，因此對(duì)少自由度機(jī)構(gòu)的研究也具有很大 的理論和實(shí)際價(jià)值。

8、 少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合的先驅(qū)者應(yīng)為澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)著名教授 Hunt，他 在1983年給出了一張并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)型列表，列舉了平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)、空間三自由 度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，一些六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)以及非對(duì)稱的四、五自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)。但對(duì)于四、五自由度對(duì)稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)， Hunt的機(jī)型表中均為空白。在此之后， Hunt提出的這些并聯(lián)機(jī)構(gòu)得到了詳細(xì)地研究，其他學(xué)者也提出了一些新機(jī)型。 1.3.1二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，自由度最少的是2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要組 成部分，分為平面結(jié)構(gòu)和球面結(jié)構(gòu)兩大類， 主要適用于平面或球面定位，有著很 大的應(yīng)用領(lǐng)域。 （1）球面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究

9、現(xiàn)狀 球面機(jī)器人是機(jī)器人三大分支之一， 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)用中具有不可取代的作 用。球面機(jī)器人機(jī)構(gòu)是各種轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相交于一點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)， 由于制造相對(duì)簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，特別適用于空間姿態(tài)變化的地方， 因而球面機(jī)構(gòu)在工業(yè)上得到 了比較廣泛的應(yīng)用，如廣泛使用的萬向節(jié)就是最典型的球面四桿機(jī)構(gòu)， 大多數(shù)使 用的機(jī)器人的手腕就是一個(gè)球面 3桿開鏈機(jī)構(gòu)。作為球面上點(diǎn)的定位設(shè)備的球面 5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)，除了 3自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)外，還有2自由度的球面5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 球面2自由度并聯(lián)機(jī)器人的研究剛剛開始。球面 2自由度SR對(duì)稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由 5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副首尾相連，5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線匯交于一點(diǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)中心），這種機(jī)構(gòu)的輸

10、 出參考點(diǎn)具有沿球面移動(dòng)的2個(gè)自由度。這種機(jī)構(gòu)也有一些實(shí)際用途，近些年也 吸引了許多學(xué)者的關(guān)注。 圖1-5萬向節(jié) 圖1-6 2自由度的球面5R并聯(lián)機(jī)構(gòu) (2) 平面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人指能夠?qū)崿F(xiàn)平面 2個(gè)移動(dòng)自由度的機(jī)器人，其在并 聯(lián)領(lǐng)域，自由度最少，主要應(yīng)用于在空間內(nèi)定位平面內(nèi)點(diǎn)， 能實(shí)現(xiàn)平面上任意軌 跡，能夠?qū)崿F(xiàn)平面2個(gè)移動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)有多種形式，其中平面 5R對(duì) 稱并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是該種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的典型代表， 它有5根桿組成，通過5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) 副首尾相連，其中2個(gè)桿連接到驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，這種對(duì)稱形式的平面 5R機(jī)構(gòu)吸引了 國(guó)內(nèi)外許多研究者

11、的關(guān)注，相繼研究了位置分析、設(shè)計(jì)空間、工作空間、組裝模 式、奇異位形、性能圖譜、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)平衡等。研究結(jié)果表明，平面二自 由度5R并聯(lián)機(jī)器人的理論空間可以設(shè)計(jì)很大，但內(nèi)部存在較多的奇異，由于奇 異的存在，奇異曲線將理論上工作空間劃分為不同的子區(qū)域， 這樣真正實(shí)用的工 作空間即是其中的一個(gè)子區(qū)域，實(shí)用面積不會(huì)很大，而且該種并聯(lián)機(jī)構(gòu)僅有兩個(gè) 分支，其承載能力和剛度都是有限的，所有這些會(huì)給這種機(jī)器人的應(yīng)用帶來一定 的局限性。 冗余驅(qū)動(dòng)可以改善甚至消除工作空間中的奇異位形， 解決奇異點(diǎn)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng) 精度降低、剛度減小和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)無法實(shí)施控制等問題， 同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)力傳遞的 均勻化和對(duì)稱化，并具

12、備優(yōu)化驅(qū)動(dòng)力/力矩，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)。但由 于冗余驅(qū)動(dòng)力/力矩的存在，使得逆動(dòng)力學(xué)方程不存在惟一解，這增大了并聯(lián)機(jī) 構(gòu)控制的難度，但也提供了輸入控制優(yōu)化的可能。力矩向量最小范數(shù)控制是冗余 驅(qū)動(dòng)中的一種優(yōu)化控制方法。該方法能將驅(qū)動(dòng)力矩都轉(zhuǎn)化為末端執(zhí)行器的輸出力 而達(dá)到消除內(nèi)力的目的。 因此，有學(xué)者提出通過增加一個(gè)串聯(lián)分支同時(shí)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了平面二 自由度驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)器人，這種驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)在于能克服瞬時(shí)自 運(yùn)動(dòng)奇異而改善機(jī)構(gòu)的靈巧性，同時(shí)減小了原非驅(qū)動(dòng)冗余機(jī)構(gòu)的理論可達(dá)工作空 間。由于驅(qū)動(dòng)冗余可以改善機(jī)器人力傳遞的一致性， 既減小了工作空間內(nèi)的奇異， 同時(shí)增加了機(jī)器人的

13、承載力和剛度，能夠有效完成非冗余并聯(lián)機(jī)器人的工作任 務(wù)，所以，平面二自由度驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)器人可以完成平面上點(diǎn)的定位， 實(shí)現(xiàn)平 面任意軌跡。 圖1-7平面二自由度驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)器人 天津大學(xué)擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) Diamond機(jī)器人目前已規(guī) ?；瘧?yīng)用在電子、醫(yī)藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域中，為包裝、移載等物流環(huán)節(jié)提供了高 效、高質(zhì)的保障。 圖1-8 Diamond機(jī)器人 1.3.2三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) （1）三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 Clavel在1988年提出了分支中含有球面四桿機(jī)構(gòu)的 DELTA并聯(lián)機(jī)器人（圖 1-9），被視為三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一個(gè)里程碑

14、，該機(jī)構(gòu)包含 12個(gè)球副，9 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和17個(gè)構(gòu)件，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于定平臺(tái)上和輕質(zhì)連桿的使用， DELTA 機(jī)構(gòu)可以獲得高達(dá)12g的加速度，非常適于完成小質(zhì)量物體的拿放操作 ；Herve 在1991年綜合出多種由四自由度分支構(gòu)成的對(duì)稱三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如 3-RRC（圖 1-10）等;Tsai在1996年用平面四桿機(jī)構(gòu)代替 DELTA機(jī)構(gòu)中的球面四桿機(jī)構(gòu)，得 到一種結(jié)構(gòu)比DELTA機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖1-11）;同年，Tsai提出了 3-UPU三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖1-12）;1997年，黃真等提出了 3-RRRH三維移動(dòng)并聯(lián)機(jī) 構(gòu);2000年，Di.Gregorio 提出了 3-RU

15、U三維移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。Ko ng和Gosselin 在 2002年提出立方體的3-CRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)（圖1-13） 。 Carricato 和 Parenti-Castelli 在2002年綜合出了多種具有各向同姓的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 有模型視頻 圖1-12 UPU移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-13 3-CRR三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 第7頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述 （2）三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 第#頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述 三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為兩類，一類以Cox在1981年提出了 3-3R三自 由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為代表，這種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性為所有轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線交

16、于一點(diǎn)， 其動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)繞該交點(diǎn)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)可用作機(jī)器人的腰、肩、髓、 腕等關(guān)節(jié)，還可用于衛(wèi)星天線和攝像定位裝置，因此具有重要應(yīng)用價(jià)值。 第8頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述 第#頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述 圖1-14 Asada的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-15靈巧眼 各國(guó)學(xué)者還提出了很多該機(jī)構(gòu)的很多變型，如 Asada在1985年提出了一種 公軸線驅(qū)動(dòng)的三自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（圖1-14）;Gosselin 等系統(tǒng)地研究了角臺(tái) 型球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并在1994年研制成功稱為“靈巧眼”的攝像機(jī)自動(dòng)定位裝置（圖 1-15）;之后，Gosselin又提出了驅(qū)動(dòng)電機(jī)

17、軸線共面的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu) （圖1-16）。 Karouia 和 Herve 在 2000年提出了 3-UPU轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。Di Gregorio 在 2001 年提出了 3-URC轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在2002年又提出了 3-RRS轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。以上 這些機(jī)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)繞空間一點(diǎn)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，亦即動(dòng)平臺(tái)可繞三條匯交的軸 線轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖1-16 Gosselin 的球面并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-17立方體3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu) 另一類三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)為 Hua ng和Fan在1996年提出的立方體3-RPS 并聯(lián)機(jī)構(gòu)（圖1-17），該機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)可繞三條不匯交的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，很具特殊性。 （3）三自由度混合運(yùn)

18、動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) Hu nt在1983年提出的空間三自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和 一個(gè)移動(dòng)自由度，這種機(jī)構(gòu)后來得到了廣泛的關(guān)注。如Lee等提出以此機(jī)構(gòu)作為 三自由度機(jī)器人操作臂和手腕，以及微操作機(jī)器人;Waldron和Roth設(shè)計(jì)了基于 該機(jī)構(gòu)的ARTISAN系統(tǒng);Pfreundschuh等提出將該機(jī)構(gòu)用作氣動(dòng)柔順手腕；畢樹 生等將該機(jī)構(gòu)和平面3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合構(gòu)成了六自由度微動(dòng)機(jī)構(gòu)。 瑞士洛桑工學(xué)院提出的Delta并聯(lián)機(jī)器人（圖1-18為Delta并聯(lián)機(jī)器人的抓 取模型），已廣泛應(yīng)用于食品、藥品和電子產(chǎn)品的包裝生產(chǎn)線上。 第9頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述

19、圖1-18 Delta 并聯(lián)機(jī)器人模型 瑞典Neos Robotic公司生產(chǎn)的Tricept并聯(lián)機(jī)器人用于汽車裝配自動(dòng)線, 可以完成加工、裝配、焊接等工序。 133四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) Pierrot和 Company在1999年提出四自由度H4并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1-19所示， 這種機(jī)構(gòu)是在原有DELTA機(jī)器人的分支運(yùn)動(dòng)鏈中加裝了一個(gè)和動(dòng)平臺(tái)垂直的轉(zhuǎn) 動(dòng)副，從而在DEITA機(jī)器人原有的三個(gè)移動(dòng)自由度外，又獲得了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由 度。 Rolla nd在1999年提出兩種用于物料搬運(yùn)的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) ：Ka nuk和 Manta，分別見圖1-20和圖1-21。以上三種四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的共同之處在

20、于分 支中都含有球面四桿機(jī)構(gòu)，以之約束動(dòng)平臺(tái)不需要的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。 圖1-19 H4四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-20 Kanuk四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)  圖1-21 Manta四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-22 H4四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 黃真和趙鐵石在2000年綜合出第一種分支中不含有閉環(huán)子鏈的對(duì)稱四自由 度4-URU并聯(lián)機(jī)構(gòu)（圖1-22），可實(shí)現(xiàn)三個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)繞 z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由 度。Zlatanov和Gossehn在2001年提出了一種對(duì)稱的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有 三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)沿z軸的移動(dòng)自由度，如圖1-23所示。此外，國(guó)內(nèi)金瓊 等在2001年也提出了一些可實(shí)現(xiàn)三個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)

21、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī) 構(gòu)。Chen和zhao在2002年提出了一種可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和兩個(gè)移動(dòng)自由 度的非對(duì)稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1-24所示。 圖1-39 3R1T四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-40 2T2R四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 1.3.4五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 國(guó)際上一直認(rèn)為不存在全對(duì)稱五自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 相對(duì)而言，非對(duì)稱 五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)比較容易綜合。Lee和Park在1999年提出一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙 層五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；Jin等在2001年綜合出具有三個(gè)移動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自 由度的非對(duì)稱五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；高峰等在2002年通過給六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)添 加一個(gè)五自由度約束分支的方法，綜合出兩種五

22、自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 1.3.5六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟， 它廣泛應(yīng)用于飛行模擬器，娛樂 裝置，微動(dòng)機(jī)械，以及數(shù)控機(jī)床。近年來，國(guó)內(nèi)外也研制出了二一些具有特殊位 姿的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如六自由度正交并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 這些發(fā)展也為六自由 度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。 圖1-41傳統(tǒng)的Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看,運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平臺(tái)(platform) 通過六個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈(chain)或分支(leg)與固定平臺(tái)(base)相聯(lián)接,每個(gè)分支與動(dòng)平 臺(tái)的聯(lián)接為球鉸或虎克鉸,與定平臺(tái)的聯(lián)接為虎克鉸或球鉸。從理論上講這六個(gè) 分支可以任意擺放，每個(gè)分支由惟一的驅(qū)動(dòng)控

23、制器驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是通過 這六個(gè)分支的可驅(qū)動(dòng)桿件的伸縮來實(shí)現(xiàn)的，它是一種復(fù)雜的六自由度相協(xié)調(diào)的空 間運(yùn)動(dòng)。通常也稱之為6-6型Stewart平臺(tái)。通過引入復(fù)合球鉸，可以得到 6-3 型或3-3型Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)，如圖1-42所示。 圖1-41 6-6 型Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-42 3-3 型Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu) 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一個(gè)本質(zhì)特征是每個(gè)分支具有六個(gè)獨(dú)立的自由度， 或者 說每個(gè)分支都必須能生成一個(gè)六維的位移群。 因此，在Stewart六自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)的基礎(chǔ)上，在改變分支中運(yùn)動(dòng)副的種類、排列順序以及方向等的同時(shí)保持分支 的六個(gè)獨(dú)立自由度，即可得

24、到新的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)型。 1984年黃真分析了 6-RSS六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1-43所示;1988年，Behi提出了 3-PRPS六自由 度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖1-44所示:1992年，Mouly和Merlet提出了一種6-PSS六自 由度并聯(lián)機(jī)構(gòu);1994年，Alizade等提出了一種三分支帶環(huán)形軌道的 3-PRPS六自 由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖l-45所示;1997年，Byun提出了 3-PPSP六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)， 如圖1-46所示；高峰等在1999年提出了一種正交式的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并將 其用作虛擬軸機(jī)床。 圖1-43 6-RSS 并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖 圖1-44 3-PRPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)

25、圖1-45 3-PRPS并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-46 3-PPSP 并聯(lián)機(jī)構(gòu) Hxeaslide型式并聯(lián)機(jī)構(gòu)與6-D0F的stewart平臺(tái)等效，但結(jié)構(gòu)上為固定桿 長(zhǎng)，其一端由球鉸固連于動(dòng)平臺(tái)上，另一端通過球鉸與滑塊移動(dòng)副相連接， 且所 有滑塊均在同一平面即靜平臺(tái)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過伺服驅(qū)動(dòng)裝置 (一般為滾珠絲杠或直 線馬達(dá))驅(qū)動(dòng)并控制6個(gè)驅(qū)動(dòng)滑塊，使滑塊改變位置，帶動(dòng)連桿，改變上平臺(tái)位 姿，從而達(dá)到輸入運(yùn)動(dòng)的目的。當(dāng)所有的主動(dòng)輸入鎖定時(shí)，動(dòng)平臺(tái)和機(jī)座之間也 就失去了相對(duì)的自由度。其結(jié)構(gòu)形式如下圖 1-47所示。 圖1-47 Hxeaslide 型式并聯(lián)機(jī)構(gòu) HxeaM也是另一種典型的Hx

26、easlide機(jī)構(gòu)，其滑塊在傾斜的導(dǎo)軌上(與靜平 臺(tái)成一定角度)滑動(dòng)，滑塊為非共面型。它與 Hexaslide(Hexaglide)構(gòu)型在結(jié)構(gòu) 上相似，目前HxeaM已經(jīng)做到了商業(yè)化，唯一商業(yè)化的基于HxeaM勺機(jī)構(gòu)是由日 本豐田工機(jī)公司(Toyoda Maehine works)與法國(guó)LIRMM的F.Piemrt教授合作開 發(fā)的5軸鉆床。 圖1-48 HxeaM 并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Linpaod構(gòu)型最早是在德國(guó)的斯圖加特大學(xué)發(fā)展而來，它的導(dǎo)軌垂直方向排 第二章 并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用 并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于其本身特點(diǎn)，一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需 很大空間的場(chǎng)合。主要

27、應(yīng)用有以下幾個(gè)方面： （1） 模擬運(yùn)動(dòng)①飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器②工程模擬器 ，如船用搖 擺臺(tái)等③檢測(cè)產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動(dòng)下的運(yùn)行可靠性④娛樂運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)。 （2） 對(duì)接動(dòng)作①宇宙飛船的空間對(duì)接②汽車裝配線上的車輪安裝③醫(yī)院中的假 肢接骨。 （3） 承載運(yùn)動(dòng)①大扭矩螺栓緊固②短距離重物搬運(yùn)。 （4） 金屬切削加工 可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點(diǎn)焊機(jī)、切割機(jī)。 （5） 可用于測(cè)量機(jī)，用來作為其它機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器。 （6） 用于微動(dòng)機(jī)構(gòu)或微型機(jī)構(gòu) 并聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域正在被科研工作者不斷拓 寬。 （7） 并聯(lián)機(jī)構(gòu)還可用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，爬行機(jī)構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機(jī)械

28、 2.1模擬運(yùn)動(dòng) 2.1.1飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器 訓(xùn)練用飛行模擬器具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全、不受場(chǎng)地和氣候條件限制等優(yōu)點(diǎn)。 目前已成為各類飛行員訓(xùn)練必備工具。Stewart在1965年首次提出把六自由度 并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為飛行模擬器，開此應(yīng)用的先河。目前，國(guó)際上有大約 67家公司生 產(chǎn)基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各種運(yùn)動(dòng)模擬器。 并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)在軍事方面也得到了應(yīng)用， 將 平臺(tái)裝于坦克或軍艦上，用它來模擬仿真路面譜和海面譜，以使目標(biāo)的瞄準(zhǔn)設(shè)計(jì) 過程中不受這些因素的干擾，達(dá)到準(zhǔn)確擊中目標(biāo)的目的。圖 2-1是Frasca公司 生產(chǎn)的波音737-400型客機(jī)的六自由度飛行模擬器；圖2-2是CAE公司生

29、產(chǎn)的飛 行模擬器。 圖2-1波音737-400飛行模擬器 圖2-2 CAE飛行模擬器 2.1.2檢測(cè)產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動(dòng)下的運(yùn)行可靠性 Gough在1948年提出用一種關(guān)節(jié)連接的機(jī)器來檢測(cè)輪胎。輪胎檢測(cè)是將輪胎 安裝在試驗(yàn)臺(tái)輪轂上，施加載荷并讓其高速旋轉(zhuǎn)，通過測(cè)定輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的徑 向、側(cè)向和縱向滾動(dòng)阻力的變化值。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靈活性和高剛度具有很大的優(yōu)勢(shì)。 目前，stewart平臺(tái)仍廣泛用于輪胎均勻性檢測(cè)和動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。 2.1.3娛樂運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái) 運(yùn)動(dòng)仿真能給人以動(dòng)感刺激而逐步進(jìn)入娛樂業(yè)。運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)平臺(tái)配以視景、 音響以及觸覺等。如美國(guó)和日本的“星球航行”、“宇宙航行”等娛

30、樂設(shè)施均采用 并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)。 2.2對(duì)接動(dòng)作裝置 2.2.1宇宙飛船的空間對(duì)接 飛船的對(duì)接可以達(dá)到補(bǔ)給物品、 人員交流等目的。要求上下平臺(tái)中間都有通孔， 以作為 結(jié)合后的通道，這樣上平臺(tái)就成為對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接環(huán)， 它由6個(gè)直線式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)功， 其上的 導(dǎo)向片可幫助兩飛船的對(duì)正，對(duì)接器還有吸收能量和減振的作用；對(duì)接機(jī)構(gòu)可完成主動(dòng)抓取、 對(duì)正拉緊、柔性結(jié)合、最后鎖住卡緊等工作。航海上也有類似的應(yīng)用，如潛艇救援中也用并 聯(lián)機(jī)構(gòu)作為兩者的對(duì)接器。 圖2-3航天器對(duì)接口 2.2.2汽車裝配線上的車輪安裝 并聯(lián)機(jī)器人可以在汽車總裝線上安裝車輪， 將并聯(lián)機(jī)器人橫向安裝于能繞垂 直軸線回轉(zhuǎn)

31、的轉(zhuǎn)臺(tái)上，它從側(cè)面抓住從傳送鏈送來的車輪。 轉(zhuǎn)過來以與總裝線同 步的速度將車輪裝到車體上，再將所有螺栓一次擰緊。并聯(lián)機(jī)器人還可以倒裝在 具有xy兩方向受控的天車上用作大件裝配，可以用在汽車總裝線上吊裝汽車發(fā) 動(dòng)機(jī)。 2.3承載運(yùn)動(dòng) 使用并聯(lián)機(jī)構(gòu)做承載裝置，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在大型搬運(yùn)機(jī)械中有很大的優(yōu)勢(shì) 圖2-4移動(dòng)重載裝置模型 2.3.1 海上鉆井平臺(tái) 海上鉆井平臺(tái)主要有自升式和半潛式鉆井平臺(tái)。 自升式鉆井平臺(tái)由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)能沿樁腿升降，一般無 自航能力。1953年美國(guó)建成第一座自升式平臺(tái)，這種平臺(tái)對(duì)水深適應(yīng)性強(qiáng)，工 作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)

32、的 1/2。工作時(shí)樁腿下放 插入海底，平臺(tái)被抬起到離開海面的安全工作高度， 并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證 平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。完井后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整 個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖輪拖到新的井位。 半潛式鉆井平臺(tái)，上部為工作甲板，下部為兩個(gè)下船體，用支撐立柱連接。工 作時(shí)下船體潛入水中，甲板處于水上安全高度，水線面積小，波浪影響小，穩(wěn)定 性好、自持力強(qiáng)、工作水深大，新發(fā)展的動(dòng)力定位技術(shù)用于半潛式平臺(tái)后，工作 水深可達(dá)900?1200米。半潛式與自升式鉆井平臺(tái)相比，優(yōu)點(diǎn)是工作水深大， 移動(dòng)靈活；缺點(diǎn)是投資大，維持費(fèi)用高，需有一套復(fù)雜的水下器具，有效使用率 低于自升式鉆井平臺(tái)。

33、通常海上石油鉆井平臺(tái)分自升式鉆井平臺(tái)、 半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船。自升 式鉆井平臺(tái)通過樁腿直接插入海底泥床， 平臺(tái)順著樁腿升起離開海面，通常適合 于較淺的水深，如120米以下。半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船都是浮于海平面， 通過 錨鏈或動(dòng)力定位，可以作業(yè)至最大 3000米的水深。 鉆井平臺(tái)要求承載系統(tǒng)剛度高，控制靈敏，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。 才 so銅 圖2-5海上鉆井平臺(tái)模型  圖2-6美國(guó)石油公司的海上鉆井平臺(tái) 2.4并聯(lián)機(jī)床 虛擬軸車床是并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程應(yīng)用領(lǐng)域最成功的范例 ，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比 較,它具有傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛性好、重量輕、速度快、切削效

34、 率高、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)，因而能加工復(fù)雜的三維曲面。 1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上，美國(guó) Giddings&Lewis公司和英國(guó) Geodetic公司首次展出了稱為 VARIAX和Hexapods的虛擬軸機(jī)床，如圖2-7所 示，被認(rèn)為是二十世紀(jì)以來機(jī)床結(jié)構(gòu)的最大變革與創(chuàng)新。此后歐洲各國(guó)和日本也 競(jìng)相研制。1997年在德國(guó)漢諾威國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)（EMO97和1999年巴黎國(guó)際機(jī) 床博覽會(huì)（EMO99上，又推出了多種并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)。圖2-8是瑞典NeosRobotics 公司生產(chǎn)的Tricept 600型并聯(lián)機(jī)床，用于汽車裝配自動(dòng)線，可以完成加工、裝 配、焊接等工序。圖

35、2-9是德國(guó)Mikromat公司生產(chǎn)的Hexa 6X型高速立式加工 中心。圖2-10是瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院研制的 HexaGlide并聯(lián)機(jī)床，可以加工長(zhǎng)工 件。  圖2-7 VARIAX并聯(lián)機(jī)床 圖2-8 Tricpet 600 并聯(lián)機(jī)床 圖2-9是德國(guó)Mikromat并聯(lián)機(jī)床 圖2-10 HexaGlide 并聯(lián)機(jī)床 我國(guó)第一臺(tái)虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī) VAMTIY已由清華大學(xué)和天津大學(xué)聯(lián)合開發(fā)。 目前，我國(guó)清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng) 化所、燕山大學(xué)等均對(duì)虛擬軸機(jī)床進(jìn)行了研究并取得了一些成果。 天津大學(xué)在他 們開發(fā)的3-HSS型并聯(lián)機(jī)床的基礎(chǔ)上對(duì)其

36、進(jìn)行了建模與仿真。 東北大學(xué)于1998 年研制了五軸聯(lián)動(dòng)三桿并聯(lián)機(jī)床 DSX5-7Q該機(jī)床嚴(yán)格說來應(yīng)屬并串聯(lián)機(jī)構(gòu)，是 在一個(gè)三自由度移動(dòng)平臺(tái)上串聯(lián)一個(gè)兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)而成。 天津大學(xué)和天津 第一機(jī)床總廠合作于 1999年研制了三坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床商品化樣機(jī) LINAPOD圖 1-8），哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)床樣機(jī) （圖2-11）。燕山大 學(xué)也做了一定的基礎(chǔ)性研究。研究虛擬軸機(jī)床中并聯(lián)空間機(jī)構(gòu)的類型、 運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)、工作空間分析與綜合問題[17],將有利于提高和完善虛擬軸機(jī)床的工作 性能。從而進(jìn)一步推進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。 最近，燕山大學(xué)自主研制 了一臺(tái)五自

37、由度并聯(lián)機(jī)床（圖2-12） o 圖2-10 LINAPOD并聯(lián)機(jī)床 圖2-11哈工大并聯(lián)機(jī)床 圖2-12燕山大學(xué)的SPIDER-I 2.5測(cè)量機(jī)裝置 2.5.1六維力和力矩傳感器 國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者把并聯(lián)機(jī)構(gòu)的思想引用到了六維力傳感器的力敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 來,如Kerr, Nguyen和Ferraresi以及國(guó)內(nèi)北京大學(xué)的陳濱、華中科技大學(xué)的熊有倫、燕山大 學(xué)的高峰等。 2.6微動(dòng)機(jī)構(gòu)與微型機(jī)構(gòu) 微動(dòng)器或稱作微動(dòng)機(jī)構(gòu)，己經(jīng)成為并聯(lián)機(jī)器人另一個(gè)重要應(yīng)用方面， 利用并 聯(lián)機(jī)構(gòu)做為微動(dòng)機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，工作空間不大 ；做運(yùn)動(dòng)精細(xì)， 無摩擦和滯后作用，機(jī)構(gòu)緊

38、湊、重量輕、剛性好 ；在三維空間的微小移動(dòng)精度可 以達(dá)到亞微米甚至是納米的分辨率，目前主要用于微電子、微型光學(xué)、精密機(jī)械 工程、生物和遺傳工程、材料科學(xué)以及醫(yī)學(xué)工程等要求精細(xì)操作與加工的任務(wù)領(lǐng) 域，其應(yīng)用前景廣闊。 1962年ElliS建議采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷微操作手， 加拿大McGi11大學(xué) 80年代末研制的用于細(xì)胞操作的遙控式微機(jī)器人系統(tǒng)是微動(dòng)機(jī)構(gòu)研究中有代表 性的研究成果。Stoughton設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的微操作手， Lee和 Arjunna研究了具有三個(gè)自由度的并聯(lián)微操作手， 日本機(jī)械技術(shù)研究所研制了用 于細(xì)胞操作的微動(dòng)雙指并聯(lián)機(jī)構(gòu)；醫(yī)學(xué)工程方面T.Dohi等

39、研制出了用于腦外科 手術(shù)的微操作機(jī)器人，Northwestern大學(xué) W.Garec等人研制了用于眼球手術(shù)的 六自由度機(jī)械手，為治療視網(wǎng)膜靜脈閉塞，要將抗凝劑直接注射到視網(wǎng)膜脈管血 凝處，要用纖細(xì)的玻璃管從皮下注射針孔中間穿過，然后伸到視網(wǎng)膜的脈管處， 這就可以應(yīng)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作了。 關(guān)于微動(dòng)機(jī)構(gòu)，我國(guó)的專家學(xué)者也做了大量的工作。 楊宜民教授等研制出仿 生型直線驅(qū)動(dòng)器，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的六自由度并聯(lián)微動(dòng)機(jī) 器人，其重復(fù)精度可達(dá)到20納米，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所在自然科學(xué)基金資助下提出了用于微動(dòng)操作的又兩個(gè) 3-D0F并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成“串并聯(lián)”機(jī)構(gòu)以 及PP一 R一 S

40、型并聯(lián)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)器人等，燕山大學(xué)1994年研制了以柔性鉸鏈代 替球副的并聯(lián)式六自由度機(jī)器人誤差補(bǔ)償器， 將其安裝于機(jī)器人手腕處可以補(bǔ)償 手臂的誤差；陳懇、李嘉等研究分析了 6-PSS型六自由度并聯(lián)微操作手的運(yùn)動(dòng)學(xué) 和工作空間。以上研究和應(yīng)用表明，微動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)有發(fā)展前景的方向，目前世 界各國(guó)正竟相對(duì)微動(dòng)機(jī)構(gòu)開展研究工作。 圖2-13是德國(guó)PI公司研制的Nonapod六自由度微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人。 圖2-14是燕山大學(xué) 的誤差補(bǔ)償器。 圖2-13 Nonapod微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人 圖2-14六自由度并聯(lián)誤差補(bǔ)償器 2.6其他應(yīng)用領(lǐng)域 (1) 步行器的腿：由于少自由度的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)高剛度

41、和動(dòng)態(tài)性能好等特性 可以用做步行器或爬壁機(jī)器人的腿。 如日本Hirose& Yoneda實(shí)驗(yàn)室研制的PV-II 和TITAN系列四足步行器以及NINJA-I、NINJA-II系列爬壁機(jī)器人等。 圖2-15靈巧手和爬壁機(jī)器人 (2) 工業(yè)機(jī)器人：并聯(lián)機(jī)構(gòu)在這方面應(yīng)用最多的是 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)與Tricept 并聯(lián)機(jī)構(gòu),主要用于食品與藥品的包裝與機(jī)械自動(dòng)生產(chǎn)線上。如瑞士洛桑工學(xué)院 提出的Delta并聯(lián)機(jī)器人，已廣泛應(yīng)用于食品、藥品和電子產(chǎn)品的包裝生產(chǎn)線上。 (3) 醫(yī)用機(jī)器人：德國(guó)柏林洪堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院手術(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室采用 Delta機(jī)器 人成功進(jìn)行了腦部手術(shù)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在醫(yī)學(xué)、生物

42、學(xué)上也有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)并聯(lián) 機(jī)構(gòu)工作空間小但是精度高的特點(diǎn)而開發(fā)出來的微動(dòng)機(jī)構(gòu)或微型機(jī)構(gòu)， 可以用于 眼科手術(shù)中。在生物工程上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可用來在微細(xì)外科手術(shù)中進(jìn)行細(xì)胞操作。 并聯(lián)機(jī)器人還可以用作人的假肢的驅(qū)動(dòng)器，幫助殘疾人部分地恢復(fù)活動(dòng)能力。 (4) 天文望遠(yuǎn)鏡：如德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)的天文研究所與卡爾蔡司光學(xué)公司 (CarIZiessGmbH)合作,于1999年建造了一臺(tái)反射鏡直徑為1.5m和質(zhì)量達(dá)5t的 大型天文望遠(yuǎn)鏡。 (5) 管道機(jī)器人：由Stewart平臺(tái)的經(jīng)典機(jī)構(gòu)演化而來。機(jī)器人通過上、下 平臺(tái)上的支撐腳交替地支撐管壁，而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上、下平臺(tái)交替地作為動(dòng)、靜 平臺(tái),再通過驅(qū)動(dòng)

43、桿的驅(qū)動(dòng)，從而完成機(jī)器人向前蠕動(dòng)前進(jìn)。 圖2-15 管道并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 圖2-16 管道并聯(lián)機(jī)器人通過彎道的仿真 第三章并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)原則 在進(jìn)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足規(guī)定的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡 外，還應(yīng)該遵循下面幾項(xiàng)準(zhǔn)則： （1） 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈要盡可能的短。完成同樣的動(dòng)作要求，應(yīng)該優(yōu)先選用機(jī)構(gòu) 構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)少的機(jī)構(gòu)，以簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)從而減輕重量、 降低成本、減少由于 零件的制造誤差而形成的運(yùn)動(dòng)鏈的累積誤差，運(yùn)動(dòng)鏈短有利于提高機(jī)構(gòu)的剛度， 減少振動(dòng)。 （2） 在運(yùn)動(dòng)副的選擇上，優(yōu)先選用低副。低副機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)元素加工方便，容 易保證配合的精度以及有較高

44、的承載能力。 （3） 適當(dāng)選擇原動(dòng)機(jī)，使機(jī)構(gòu)有好的動(dòng)力學(xué)性能。 3.1并聯(lián)機(jī)器人的尺度設(shè)計(jì)原則 以往，我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段為了確定機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)的尺寸和確定機(jī)器人操作 手在工作空間內(nèi)部的位置和姿態(tài)時(shí)多數(shù)是靠經(jīng)驗(yàn)和直覺。 現(xiàn)在，為了開發(fā)出高精 度、高速度和高效率的并聯(lián)機(jī)器人，我們?cè)跈C(jī)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它的工作 空間的體積和形狀、奇異位形、輸出的各向同性等條件。但是，在全局最優(yōu)的機(jī) 構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)中，顧全到上述的所有條件是十分困難的。 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了 許多機(jī)構(gòu)綜合的標(biāo)準(zhǔn)，以便在滿足指定的設(shè)計(jì)指標(biāo)下，機(jī)構(gòu)的性能達(dá)到最優(yōu)。由 于并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比，工作空間小。因此為實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求，在

45、設(shè)計(jì)時(shí) 要先確定能夠滿足性能指標(biāo)的工作空間是至關(guān)重要的。 另外，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須要考慮要避免構(gòu)型奇異。 與串聯(lián)機(jī)器人 不同的是，并聯(lián)機(jī)器人不僅有運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異，還有由構(gòu)型所導(dǎo)致的構(gòu)型奇異。 即奇 異區(qū)域通常都擴(kuò)張到整個(gè)工作空間或一些顯著的子空間， 而且是實(shí)際操作中最常 用的區(qū)域。0.M給出了判定并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)生構(gòu)型奇異的條件： (1) 如果動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)是相似的正多邊形，則整個(gè)工作空間內(nèi)雅戈比矩 陣都是奇異的； (2) 如果動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)是相似的非正多邊形，并且每一對(duì)相應(yīng)的頂點(diǎn)通 過一條連桿相連，則雅戈比矩陣在工作空間內(nèi)的大部分區(qū)域都是奇異的。 這種設(shè)計(jì)上的奇異的存在，將使并聯(lián)機(jī)器

46、人由于無法平衡施加在動(dòng)平臺(tái)上的 負(fù)載而不能工作。在構(gòu)型奇異附近的區(qū)域，即使沒有發(fā)生構(gòu)型奇異，也有可能出 現(xiàn)雅戈比矩陣條件數(shù)很大的情況，同樣會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和力的傳遞性能變的很差， 我 們稱這種區(qū)域?yàn)椴B(tài)條件區(qū)域。因此，進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在 滿足工作空間要求、運(yùn)動(dòng)可傳遞性的要求以及負(fù)載能力要求的情況下，要避開構(gòu) 型奇異點(diǎn)及奇異點(diǎn)附近的病態(tài)區(qū)域。 第23頁共23頁 并聯(lián)機(jī)器人綜述 參考文獻(xiàn) [1] 張立杰 牛躍偉.基于工作空間的球面SR并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程 學(xué)報(bào).2007 , 43(2) : 55-59 .. [2] 張立杰 李永泉?球面二自由度5R并聯(lián)機(jī)

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