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1、并聯(lián)機器人綜述 并聯(lián)機器人綜述 引言 并聯(lián)機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、誤差小、精 度高、自重負(fù)荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點，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)機器人文獻(xiàn)，對其分類和應(yīng)用做了簡要分 析和概括，并對其在運動學(xué)、動力學(xué)、機構(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)機構(gòu)的發(fā)展概況 1.1并聯(lián)機構(gòu)的特點 并聯(lián)機構(gòu)是一種閉環(huán)機構(gòu)，其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少 2個獨立的運 動鏈與機架相聯(lián)接，必備的要素如下：①末端執(zhí)行器必須具有運動自由度；②這種 末端執(zhí)行器通過幾個相互關(guān)聯(lián)的運動鏈

2、或分支與機架相聯(lián)接；③每個分支或運動 鏈由惟一的移動副或轉(zhuǎn)動副驅(qū)動。 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少， 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，并聯(lián)機構(gòu)在實際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機構(gòu)不可比擬的優(yōu) 勢。其主要優(yōu)點如下： （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，使得傳動機構(gòu)具有很高的承載強度。 （2） 動態(tài)性能優(yōu)越。運動部件質(zhì)量輕，慣性低，

3、可有效改善伺服控制器的動 態(tài)性能,使動平臺獲得很高的進(jìn)給速度與加速度，適于高速數(shù)控作業(yè)。 （3） 運動精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)相比而言的，傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)的加工誤 差是各個關(guān)節(jié)的誤差積累，而并聯(lián)機構(gòu)各個關(guān)節(jié)的誤差可以相互抵消、 相互彌補， 因此，并聯(lián)機構(gòu)是未來機床的發(fā)展方向。 （4） 多功能靈活性強。可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合 ,在動平臺上安 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，是柔性化的理想機構(gòu)。 （5） 使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小，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)機構(gòu)作為一種新型機構(gòu)，也有其自身的不足，由于結(jié)構(gòu)的原因，它的運 動空間較小，而串并聯(lián)機構(gòu)則彌補了并聯(lián)機構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕，剛度大， 精度高的特點，又增大了機構(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)機構(gòu)，適應(yīng)能力強，且易于控制，是當(dāng)前應(yīng)用研究中的一個新熱點。 1.2并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀. 并聯(lián)機構(gòu)的最早應(yīng)用可以追溯到 1938年，Polladr提出采用并聯(lián)機構(gòu)作為 汽車噴漆裝置。Gough在1948年提出用一種關(guān)節(jié)連接的機器來檢測輪胎（見圖 1-1），而直到1962年才出現(xiàn)相關(guān)的文字報道。真正引起機構(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)機構(gòu)，并建 議可以將該機構(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 型機床的設(shè)計基礎(chǔ)。J.Ti ndale建議將該形式的機構(gòu)用于礦山開采機構(gòu)和海上鉆 井平臺（見圖1-3）。1978年，澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)家 Hunt提出可以應(yīng)用6自由 度的Stweart平臺機構(gòu)作為機器人機構(gòu)（見圖1-4）。Stweart平臺機構(gòu)最初起源 于Gough的法國汽車輪胎試驗裝置，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)計出了在小型計算機控制下，在精密裝 中完成校準(zhǔn)任務(wù)的并聯(lián)機器人，從而真正拉開了并聯(lián)機器人研究的序幕，越

6、來越 多的學(xué)者投入到研究之中。到 80年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的人還廖寥 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)機器人才廣為 注意，并成為了新的熱點，許多大型會議都設(shè)多個專題進(jìn)行討論， 國際上名的學(xué) 者有 Warldron，Roth， Gosselin， Fenton， Merlet，AngeleS 等。 1-2 Stewart 飛行模擬器 圖l-1 Gough的輪胎檢測裝置圖 圖1-3海上鉆井平臺 圖l-4 Hu nt機器人操作手 1.3并聯(lián)機構(gòu)的分類與發(fā)展 在并聯(lián)機器人機構(gòu)體系中，有著多種機構(gòu)種類劃分方法。按照自由度劃分， 有2個自由度，3個自

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

8、 少自由度并聯(lián)機構(gòu)型綜合的先驅(qū)者應(yīng)為澳大利亞機構(gòu)學(xué)著名教授 Hunt，他 在1983年給出了一張并聯(lián)機構(gòu)的機型列表，列舉了平面并聯(lián)機構(gòu)、空間三自由 度3-RPS并聯(lián)機構(gòu)，一些六自由度并聯(lián)機構(gòu)以及非對稱的四、五自由度并聯(lián)機 構(gòu)。但對于四、五自由度對稱并聯(lián)機構(gòu)， Hunt的機型表中均為空白。在此之后， Hunt提出的這些并聯(lián)機構(gòu)得到了詳細(xì)地研究，其他學(xué)者也提出了一些新機型。 1.3.1二自由度并聯(lián)機構(gòu) 在并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域，自由度最少的是2自由度并聯(lián)機構(gòu)，是并聯(lián)機構(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)機構(gòu)的研究

9、現(xiàn)狀 球面機器人是機器人三大分支之一， 在機器人機構(gòu)應(yīng)用中具有不可取代的作 用。球面機器人機構(gòu)是各種轉(zhuǎn)動軸線相交于一點的空間結(jié)構(gòu)， 由于制造相對簡單 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構(gòu)， 大多數(shù)使 用的機器人的手腕就是一個球面 3桿開鏈機構(gòu)。作為球面上點的定位設(shè)備的球面 5R并聯(lián)機構(gòu)，除了 3自由度球面并聯(lián)機構(gòu)外，還有2自由度的球面5R并聯(lián)機構(gòu)。 球面2自由度并聯(lián)機器人的研究剛剛開始。球面 2自由度SR對稱并聯(lián)機構(gòu)，由 5個轉(zhuǎn)動副首尾相連，5個轉(zhuǎn)動副的軸線匯交于一點（轉(zhuǎn)動中心），這種機構(gòu)的輸

10、 出參考點具有沿球面移動的2個自由度。這種機構(gòu)也有一些實際用途，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)機構(gòu) (2) 平面二自由度并聯(lián)機構(gòu)的研究現(xiàn)狀 平面二自由度并聯(lián)機器人指能夠?qū)崿F(xiàn)平面 2個移動自由度的機器人，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， 能實現(xiàn)平面上任意軌 跡，能夠?qū)崿F(xiàn)平面2個移動自由度運動的并聯(lián)機構(gòu)有多種形式，其中平面 5R對 稱并聯(lián)機器人機構(gòu)是該種并聯(lián)機構(gòu)的典型代表， 它有5根桿組成，通過5個轉(zhuǎn)動 副首尾相連，其中2個桿連接到驅(qū)動平臺，這種對稱形式的平面 5R機構(gòu)吸引了 國內(nèi)外許多研究者

11、的關(guān)注，相繼研究了位置分析、設(shè)計空間、工作空間、組裝模 式、奇異位形、性能圖譜、運動學(xué)設(shè)計及動態(tài)平衡等。研究結(jié)果表明，平面二自 由度5R并聯(lián)機器人的理論空間可以設(shè)計很大，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， 這樣真正實用的工 作空間即是其中的一個子區(qū)域，實用面積不會很大，而且該種并聯(lián)機構(gòu)僅有兩個 分支，其承載能力和剛度都是有限的，所有這些會給這種機器人的應(yīng)用帶來一定 的局限性。 冗余驅(qū)動可以改善甚至消除工作空間中的奇異位形， 解決奇異點導(dǎo)致的運動 精度降低、剛度減小和驅(qū)動關(guān)節(jié)無法實施控制等問題， 同時還可以實現(xiàn)力傳遞的 均勻化和對稱化，并具

12、備優(yōu)化驅(qū)動力/力矩，提高驅(qū)動系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。但由 于冗余驅(qū)動力/力矩的存在，使得逆動力學(xué)方程不存在惟一解，這增大了并聯(lián)機 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)動中的一種優(yōu)化控制方法。該方法能將驅(qū)動力矩都轉(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串聯(lián)分支同時增加一個驅(qū)動，構(gòu)建了平面二 自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人，這種驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人的特點在于能克服瞬時自 運動奇異而改善機構(gòu)的靈巧性，同時減小了原非驅(qū)動冗余機構(gòu)的理論可達(dá)工作空 間。由于驅(qū)動冗余可以改善機器人力傳遞的一致性， 既減小了工作空間內(nèi)的奇異， 同時增加了機器人的

13、承載力和剛度，能夠有效完成非冗余并聯(lián)機器人的工作任 務(wù)，所以，平面二自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人可以完成平面上點的定位， 實現(xiàn)平 面任意軌跡。 圖1-7平面二自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人 天津大學(xué)擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的二自由度并聯(lián)機構(gòu) Diamond機器人目前已規(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機器人 1.3.2三自由度并聯(lián)機構(gòu) （1）三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 Clavel在1988年提出了分支中含有球面四桿機構(gòu)的 DELTA并聯(lián)機器人（圖 1-9），被視為三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)的一個里程碑

14、，該機構(gòu)包含 12個球副，9 個轉(zhuǎn)動副和17個構(gòu)件，由于驅(qū)動電機置于定平臺上和輕質(zhì)連桿的使用， DELTA 機構(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)成的對稱三維移動機構(gòu)，如 3-RRC（圖 1-10）等;Tsai在1996年用平面四桿機構(gòu)代替 DELTA機構(gòu)中的球面四桿機構(gòu)，得 到一種結(jié)構(gòu)比DELTA機構(gòu)簡單的三維移動機構(gòu)（圖1-11）;同年，Tsai提出了 3-UPU三維移動機構(gòu)（圖1-12）;1997年，黃真等提出了 3-RRRH三維移動并聯(lián)機 構(gòu);2000年，Di.Gregorio 提出了 3-RU

15、U三維移動并聯(lián)機構(gòu)。Ko ng和Gosselin 在 2002年提出立方體的3-CRR并聯(lián)機構(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機構(gòu)。 三自由度并聯(lián)機構(gòu) 有模型視頻 圖1-12 UPU移動并聯(lián)機構(gòu) 圖1-13 3-CRR三自由度并聯(lián)機構(gòu) 第7頁共23頁 并聯(lián)機器人綜述 （2）三自由度轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu) 第#頁共23頁 并聯(lián)機器人綜述 三自由度轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(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)機構(gòu)為代表，這種機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性為所有轉(zhuǎn)動副的軸線交

16、于一點， 其動平臺可以實現(xiàn)繞該交點的自由轉(zhuǎn)動。這種機構(gòu)可用作機器人的腰、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)用價值。 第8頁共23頁 并聯(lián)機器人綜述 第#頁共23頁 并聯(lián)機器人綜述 圖1-14 Asada的球面并聯(lián)機構(gòu) 圖1-15靈巧眼 各國學(xué)者還提出了很多該機構(gòu)的很多變型，如 Asada在1985年提出了一種 公軸線驅(qū)動的三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)（圖1-14）;Gosselin 等系統(tǒng)地研究了角臺 型球面并聯(lián)機構(gòu)，并在1994年研制成功稱為“靈巧眼”的攝像機自動定位裝置（圖 1-15）;之后，Gosselin又提出了驅(qū)動電機

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

18、動并聯(lián)機構(gòu) Hu nt在1983年提出的空間三自由度3-RPS并聯(lián)機構(gòu)具有兩個轉(zhuǎn)動自由度和 一個移動自由度，這種機構(gòu)后來得到了廣泛的關(guān)注。如Lee等提出以此機構(gòu)作為 三自由度機器人操作臂和手腕，以及微操作機器人;Waldron和Roth設(shè)計了基于 該機構(gòu)的ARTISAN系統(tǒng);Pfreundschuh等提出將該機構(gòu)用作氣動柔順手腕；畢樹 生等將該機構(gòu)和平面3-RRR并聯(lián)機構(gòu)組合構(gòu)成了六自由度微動機構(gòu)。 瑞士洛桑工學(xué)院提出的Delta并聯(lián)機器人（圖1-18為Delta并聯(lián)機器人的抓 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)機器人綜述

19、圖1-18 Delta 并聯(lián)機器人模型 瑞典Neos Robotic公司生產(chǎn)的Tricept并聯(lián)機器人用于汽車裝配自動線, 可以完成加工、裝配、焊接等工序。 133四自由度并聯(lián)機構(gòu) Pierrot和 Company在1999年提出四自由度H4并聯(lián)機構(gòu)，如圖1-19所示， 這種機構(gòu)是在原有DELTA機器人的分支運動鏈中加裝了一個和動平臺垂直的轉(zhuǎn) 動副，從而在DEITA機器人原有的三個移動自由度外，又獲得了一個轉(zhuǎn)動自由 度。 Rolla nd在1999年提出兩種用于物料搬運的四自由度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)的共同之處在

20、于分 支中都含有球面四桿機構(gòu)，以之約束動平臺不需要的轉(zhuǎn)動自由度。 圖1-19 H4四自由度并聯(lián)機構(gòu) 圖1-20 Kanuk四自由度并聯(lián)機構(gòu)  圖1-21 Manta四自由度并聯(lián)機構(gòu) 圖1-22 H4四自由度并聯(lián)機構(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)子鏈的對稱四自由 度4-URU并聯(lián)機構(gòu)（圖1-22），可實現(xiàn)三個移動自由度和一個繞 z軸的轉(zhuǎn)動自由 度。Zlatanov和Gossehn在2001年提出了一種對稱的四自由度并聯(lián)機構(gòu)，具有 三個轉(zhuǎn)動自由度和一個沿z軸的移動自由度，如圖1-23所示。此外，國內(nèi)金瓊 等在2001年也提出了一些可實現(xiàn)三個移動自由度和一個

21、轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機 構(gòu)。Chen和zhao在2002年提出了一種可實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)動自由度和兩個移動自由 度的非對稱并聯(lián)機構(gòu)，如圖1-24所示。 圖1-39 3R1T四自由度并聯(lián)機構(gòu) 圖1-40 2T2R四自由度并聯(lián)機構(gòu) 1.3.4五自由度并聯(lián)機構(gòu) 國際上一直認(rèn)為不存在全對稱五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)。 相對而言，非對稱 五自由度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)；Jin等在2001年綜合出具有三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自 由度的非對稱五自由度并聯(lián)機構(gòu)；高峰等在2002年通過給六自由度并聯(lián)機構(gòu)添 加一個五自由度約束分支的方法，綜合出兩種五

22、自由度并聯(lián)機構(gòu)。 1.3.5六自由度并聯(lián)機構(gòu) 六自由度并聯(lián)機構(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，微動機械，以及數(shù)控機床。近年來，國內(nèi)外也研制出了二一些具有特殊位 姿的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，如六自由度正交并聯(lián)機器人機構(gòu)。 這些發(fā)展也為六自由 度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看,運動的動平臺(platform) 通過六個運動鏈(chain)或分支(leg)與固定平臺(base)相聯(lián)接,每個分支與動平 臺的聯(lián)接為球鉸或虎克鉸,與定平臺的聯(lián)接為虎克鉸或球鉸。從理論上講這六個 分支可以任意擺放，每個分支由惟一的驅(qū)動控

23、制器驅(qū)動，運動平臺的運動是通過 這六個分支的可驅(qū)動桿件的伸縮來實現(xiàn)的，它是一種復(fù)雜的六自由度相協(xié)調(diào)的空 間運動。通常也稱之為6-6型Stewart平臺。通過引入復(fù)合球鉸，可以得到 6-3 型或3-3型Stewart平臺機構(gòu)，如圖1-42所示。 圖1-41 6-6 型Stewart并聯(lián)機構(gòu) 圖1-42 3-3 型Stewart平臺機構(gòu) 六自由度并聯(lián)機構(gòu)的一個本質(zhì)特征是每個分支具有六個獨立的自由度， 或者 說每個分支都必須能生成一個六維的位移群。 因此，在Stewart六自由度并聯(lián)機 構(gòu)的基礎(chǔ)上，在改變分支中運動副的種類、排列順序以及方向等的同時保持分支 的六個獨立自由度，即可得

24、到新的六自由度并聯(lián)機構(gòu)機型。 1984年黃真分析了 6-RSS六自由度并聯(lián)機構(gòu)，如圖1-43所示;1988年，Behi提出了 3-PRPS六自由 度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)，如圖l-45所示;1997年，Byun提出了 3-PPSP六自由度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)，并將 其用作虛擬軸機床。 圖1-43 6-RSS 并聯(lián)機構(gòu)圖 圖1-44 3-PRPS并聯(lián)機構(gòu)

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

26、easlide機構(gòu)，其滑塊在傾斜的導(dǎo)軌上(與靜平 臺成一定角度)滑動，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勺機構(gòu)是由日 本豐田工機公司(Toyoda Maehine works)與法國LIRMM的F.Piemrt教授合作開 發(fā)的5軸鉆床。 圖1-48 HxeaM 并聯(lián)機構(gòu)簡圖 Linpaod構(gòu)型最早是在德國的斯圖加特大學(xué)發(fā)展而來，它的導(dǎo)軌垂直方向排 第二章 并聯(lián)機器人的應(yīng)用 并聯(lián)機構(gòu)由于其本身特點，一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需 很大空間的場合。主要

27、應(yīng)用有以下幾個方面： （1） 模擬運動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 擺臺等③檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動下的運行可靠性④娛樂運動模擬臺。 （2） 對接動作①宇宙飛船的空間對接②汽車裝配線上的車輪安裝③醫(yī)院中的假 肢接骨。 （3） 承載運動①大扭矩螺栓緊固②短距離重物搬運。 （4） 金屬切削加工 可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。 （5） 可用于測量機，用來作為其它機構(gòu)的誤差補償器。 （6） 用于微動機構(gòu)或微型機構(gòu) 并聯(lián)平臺的應(yīng)用領(lǐng)域正在被科研工作者不斷拓 寬。 （7） 并聯(lián)機構(gòu)還可用作機器人的關(guān)節(jié)，爬行機構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機械

28、 2.1模擬運動 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、不受場地和氣候條件限制等優(yōu)點。 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)機構(gòu)作為飛行模擬器，開此應(yīng)用的先河。目前，國際上有大約 67家公司生 產(chǎn)基于并聯(lián)機構(gòu)的各種運動模擬器。 并聯(lián)平臺機構(gòu)在軍事方面也得到了應(yīng)用， 將 平臺裝于坦克或軍艦上，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 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檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動下的運行可靠性 Gough在1948年提出用一種關(guān)節(jié)連接的機器來檢測輪胎。輪胎檢測是將輪胎 安裝在試驗臺輪轂上，施加載荷并讓其高速旋轉(zhuǎn)，通過測定輪胎旋轉(zhuǎn)時所受的徑 向、側(cè)向和縱向滾動阻力的變化值。并聯(lián)機構(gòu)的靈活性和高剛度具有很大的優(yōu)勢。 目前，stewart平臺仍廣泛用于輪胎均勻性檢測和動平衡實驗。 2.1.3娛樂運動模擬臺 運動仿真能給人以動感刺激而逐步進(jìn)入娛樂業(yè)。運動的并聯(lián)平臺配以視景、 音響以及觸覺等。如美國和日本的“星球航行”、“宇宙航行”等娛

30、樂設(shè)施均采用 并聯(lián)機構(gòu)平臺。 2.2對接動作裝置 2.2.1宇宙飛船的空間對接 飛船的對接可以達(dá)到補給物品、 人員交流等目的。要求上下平臺中間都有通孔， 以作為 結(jié)合后的通道，這樣上平臺就成為對接機構(gòu)的對接環(huán)， 它由6個直線式驅(qū)動器驅(qū)功， 其上的 導(dǎo)向片可幫助兩飛船的對正，對接器還有吸收能量和減振的作用；對接機構(gòu)可完成主動抓取、 對正拉緊、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)機構(gòu)作為兩者的對接器。 圖2-3航天器對接口 2.2.2汽車裝配線上的車輪安裝 并聯(lián)機器人可以在汽車總裝線上安裝車輪， 將并聯(lián)機器人橫向安裝于能繞垂 直軸線回轉(zhuǎn)

31、的轉(zhuǎn)臺上，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) 動機。 2.3承載運動 使用并聯(lián)機構(gòu)做承載裝置，運動平穩(wěn)，在大型搬運機械中有很大的優(yōu)勢 圖2-4移動重載裝置模型 2.3.1 海上鉆井平臺 海上鉆井平臺主要有自升式和半潛式鉆井平臺。 自升式鉆井平臺由平臺、樁腿和升降機構(gòu)組成，平臺能沿樁腿升降，一般無 自航能力。1953年美國建成第一座自升式平臺，這種平臺對水深適應(yīng)性強，工 作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占移動式鉆井裝置總數(shù)

32、的 1/2。工作時樁腿下放 插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度， 并對樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證 平臺遇到風(fēng)暴時樁腿不致下陷。完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整 個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。 半潛式鉆井平臺，上部為工作甲板，下部為兩個下船體，用支撐立柱連接。工 作時下船體潛入水中，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、工作水深大，新發(fā)展的動力定位技術(shù)用于半潛式平臺后，工作 水深可達(dá)900?1200米。半潛式與自升式鉆井平臺相比，優(yōu)點是工作水深大， 移動靈活；缺點是投資大，維持費用高，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。

33、通常海上石油鉆井平臺分自升式鉆井平臺、 半潛式鉆井平臺和鉆井船。自升 式鉆井平臺通過樁腿直接插入海底泥床， 平臺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。半潛式鉆井平臺和鉆井船都是浮于海平面， 通過 錨鏈或動力定位，可以作業(yè)至最大 3000米的水深。 鉆井平臺要求承載系統(tǒng)剛度高，控制靈敏，并聯(lián)機構(gòu)具有巨大的優(yōu)勢。 才 so銅 圖2-5海上鉆井平臺模型  圖2-6美國石油公司的海上鉆井平臺 2.4并聯(lián)機床 虛擬軸車床是并聯(lián)機構(gòu)在工程應(yīng)用領(lǐng)域最成功的范例 ，與傳統(tǒng)數(shù)控機床相比 較,它具有傳動鏈短、結(jié)構(gòu)簡單、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，容易實現(xiàn)六軸聯(lián)動，因而能加工復(fù)雜的三維曲面。 1994年在芝加哥國際機床博覽會上，美國 Giddings&Lewis公司和英國 Geodetic公司首次展出了稱為 VARIAX和Hexapods的虛擬軸機床，如圖2-7所 示，被認(rèn)為是二十世紀(jì)以來機床結(jié)構(gòu)的最大變革與創(chuàng)新。此后歐洲各國和日本也 競相研制。1997年在德國漢諾威國際機床博覽會（EMO97和1999年巴黎國際機 床博覽會（EMO99上，又推出了多種并聯(lián)機床樣機。圖2-8是瑞典NeosRobotics 公司生產(chǎn)的Tricept 600型并聯(lián)機床，用于汽車裝配自動線，可以完成加工、裝 配、焊接等工序。圖

35、2-9是德國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)機床，可以加工長工 件。  圖2-7 VARIAX并聯(lián)機床 圖2-8 Tricpet 600 并聯(lián)機床 圖2-9是德國Mikromat并聯(lián)機床 圖2-10 HexaGlide 并聯(lián)機床 我國第一臺虛擬軸機床原型樣機 VAMTIY已由清華大學(xué)和天津大學(xué)聯(lián)合開發(fā)。 目前，我國清華大學(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 化所、燕山大學(xué)等均對虛擬軸機床進(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)機床的基礎(chǔ)上對其

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)動三桿并聯(lián)機床 DSX5-7Q該機床嚴(yán)格說來應(yīng)屬并串聯(lián)機構(gòu)，是 在一個三自由度移動平臺上串聯(lián)一個兩自由度的串聯(lián)機構(gòu)而成。 天津大學(xué)和天津 第一機床總廠合作于 1999年研制了三坐標(biāo)并聯(lián)機床商品化樣機 LINAPOD圖 1-8），哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了一臺六自由度并聯(lián)機床樣機 （圖2-11）。燕山大 學(xué)也做了一定的基礎(chǔ)性研究。研究虛擬軸機床中并聯(lián)空間機構(gòu)的類型、 運動學(xué)和 動力學(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床的工作 性能。從而進(jìn)一步推進(jìn)并聯(lián)機構(gòu)在工程實際中的應(yīng)用。 最近，燕山大學(xué)自主研制 了一臺五自

37、由度并聯(lián)機床（圖2-12） o 圖2-10 LINAPOD并聯(lián)機床 圖2-11哈工大并聯(lián)機床 圖2-12燕山大學(xué)的SPIDER-I 2.5測量機裝置 2.5.1六維力和力矩傳感器 國內(nèi)外有許多學(xué)者把并聯(lián)機構(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)計上 來,如Kerr, Nguyen和Ferraresi以及國內(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微動機構(gòu)與微型機構(gòu) 微動器或稱作微動機構(gòu)，己經(jīng)成為并聯(lián)機器人另一個重要應(yīng)用方面， 利用并 聯(lián)機構(gòu)做為微動機構(gòu)充分發(fā)揮了并聯(lián)機構(gòu)的特點，工作空間不大 ；做運動精細(xì)， 無摩擦和滯后作用，機構(gòu)緊

38、湊、重量輕、剛性好 ；在三維空間的微小移動精度可 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器人系統(tǒng)是微動機構(gòu)研究中有代表 性的研究成果。Stoughton設(shè)計了一種由兩個并聯(lián)機構(gòu)組成的微操作手， Lee和 Arjunna研究了具有三個自由度的并聯(lián)微操作手， 日本機械技術(shù)研究所研制了用 于細(xì)胞操作的微動雙指并聯(lián)機構(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)機構(gòu)進(jìn)行操作了。 關(guān)于微動機構(gòu)，我國的專家學(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)動器，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了壓電陶瓷驅(qū)動的六自由度并聯(lián)微動機 器人，其重復(fù)精度可達(dá)到20納米，北京航空航天大學(xué)機器人所在自然科學(xué)基金資助下提出了用于微動操作的又兩個 3-D0F并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)而成“串并聯(lián)”機構(gòu)以 及PP一 R一 S

40、型并聯(lián)機構(gòu)微動機器人等，燕山大學(xué)1994年研制了以柔性鉸鏈代 替球副的并聯(lián)式六自由度機器人誤差補償器， 將其安裝于機器人手腕處可以補償 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)微操作手的運動學(xué) 和工作空間。以上研究和應(yīng)用表明，微動機構(gòu)是一個有發(fā)展前景的方向，目前世 界各國正竟相對微動機構(gòu)開展研究工作。 圖2-13是德國PI公司研制的Nonapod六自由度微動并聯(lián)機器人。 圖2-14是燕山大學(xué) 的誤差補償器。 圖2-13 Nonapod微動并聯(lián)機器人 圖2-14六自由度并聯(lián)誤差補償器 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)機器人機構(gòu)高剛度

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

42、學(xué)上也有廣泛的應(yīng)用。針對并聯(lián) 機構(gòu)工作空間小但是精度高的特點而開發(fā)出來的微動機構(gòu)或微型機構(gòu)， 可以用于 眼科手術(shù)中。在生物工程上，并聯(lián)機構(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)機器人還可以用作人的假肢的驅(qū)動器，幫助殘疾人部分地恢復(fù)活動能力。 (4) 天文望遠(yuǎn)鏡：如德國波鴻魯爾大學(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) 管道機器人：由Stewart平臺的經(jīng)典機構(gòu)演化而來。機器人通過上、下 平臺上的支撐腳交替地支撐管壁，而實現(xiàn)機器人的上、下平臺交替地作為動、靜 平臺,再通過驅(qū)動

43、桿的驅(qū)動，從而完成機器人向前蠕動前進(jìn)。 圖2-15 管道并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)圖 圖2-16 管道并聯(lián)機器人通過彎道的仿真 第三章并聯(lián)機器人構(gòu)型設(shè)計原則 在進(jìn)行機構(gòu)形式設(shè)計時，除了要滿足規(guī)定的運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡 外，還應(yīng)該遵循下面幾項準(zhǔn)則： （1） 機構(gòu)的運動鏈要盡可能的短。完成同樣的動作要求，應(yīng)該優(yōu)先選用機構(gòu) 構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)少的機構(gòu)，以簡化其結(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動鏈的累積誤差，運動鏈短有利于提高機構(gòu)的剛度， 減少振動。 （2） 在運動副的選擇上，優(yōu)先選用低副。低副機構(gòu)的運動元素加工方便，容 易保證配合的精度以及有較高

44、的承載能力。 （3） 適當(dāng)選擇原動機，使機構(gòu)有好的動力學(xué)性能。 3.1并聯(lián)機器人的尺度設(shè)計原則 以往，我們在設(shè)計階段為了確定機器人操作手機構(gòu)的尺寸和確定機器人操作 手在工作空間內(nèi)部的位置和姿態(tài)時多數(shù)是靠經(jīng)驗和直覺。 現(xiàn)在，為了開發(fā)出高精 度、高速度和高效率的并聯(lián)機器人，我們在機構(gòu)的綜合設(shè)計時要考慮到它的工作 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 構(gòu)尺度綜合設(shè)計中，顧全到上述的所有條件是十分困難的。 國內(nèi)外的學(xué)者提出了 許多機構(gòu)綜合的標(biāo)準(zhǔn)，以便在滿足指定的設(shè)計指標(biāo)下，機構(gòu)的性能達(dá)到最優(yōu)。由 于并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比，工作空間小。因此為實現(xiàn)作業(yè)要求，在

45、設(shè)計時 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)機構(gòu)的設(shè)計過程中必須要考慮要避免構(gòu)型奇異。 與串聯(lián)機器人 不同的是，并聯(lián)機器人不僅有運動學(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)張到整個工作空間或一些顯著的子空間， 而且是實際操作中最常 用的區(qū)域。0.M給出了判定并聯(lián)機構(gòu)發(fā)生構(gòu)型奇異的條件： (1) 如果動平臺和定平臺是相似的正多邊形，則整個工作空間內(nèi)雅戈比矩 陣都是奇異的； (2) 如果動平臺和定平臺是相似的非正多邊形，并且每一對相應(yīng)的頂點通 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)計上的奇異的存在，將使并聯(lián)機器

46、人由于無法平衡施加在動平臺上的 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，同樣會導(dǎo)致運動和力的傳遞性能變的很差， 我 們稱這種區(qū)域為病態(tài)條件區(qū)域。因此，進(jìn)行并聯(lián)機構(gòu)尺度綜合設(shè)計時必須考慮在 滿足工作空間要求、運動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) 型奇異點及奇異點附近的病態(tài)區(qū)域。 第23頁共23頁 并聯(lián)機器人綜述 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)機器人機構(gòu)設(shè)計[J].機械工程 學(xué)報.2007 , 43(2) : 55-59 .. [2] 張立杰 李永泉?球面二自由度5R并聯(lián)機

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