(完整版)并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與展望引言并聯(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。1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況（一）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:末端執(zhí)行器必須具有運(yùn)動(dòng)自由度;這種末端執(zhí)行器通過幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)鏈或分支與機(jī)架相聯(lián)接;每個(gè)分支或運(yùn)動(dòng)鏈由惟一的移動(dòng)副或轉(zhuǎn)

2、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(kù)存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿膫鹘y(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，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

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

4、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)。（二）并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類從運(yùn)動(dòng)形式來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、平面移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純移動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間混合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),另可按并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)分類：（1）2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如5-R、3-R-2-P（R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，P表示移動(dòng)副）平面5桿機(jī)構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)一般具有2個(gè)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。（2）3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)各類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下形式：平面3自由度并聯(lián)

5、機(jī)構(gòu)，如3-RRR機(jī)構(gòu)、3-RPR機(jī)構(gòu)，它們具有2個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；球面3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-RRR球面機(jī)構(gòu)、3-UPS-1-S球面機(jī)構(gòu)，3-RRR球面機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動(dòng)副的軸線匯交空間一點(diǎn)，這點(diǎn)稱為機(jī)構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S球面機(jī)構(gòu)則以S的中心點(diǎn)為機(jī)構(gòu)的中心，機(jī)構(gòu)上的所有點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都是繞該點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng);3維純移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如StarLike并聯(lián)機(jī)構(gòu)、Tsai并聯(lián)機(jī)構(gòu)和DELTA機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解都很簡(jiǎn)單，是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動(dòng)空間機(jī)構(gòu)；空間3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如典型的3-RPS機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)屬于欠秩機(jī)構(gòu)1，在工作空間內(nèi)不同的點(diǎn)其運(yùn)動(dòng)形式不同是其最顯著的特點(diǎn)，由于這種特殊的運(yùn)動(dòng)特性，阻

6、礙了該類機(jī)構(gòu)在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用；還有一類是增加輔助桿件和運(yùn)動(dòng)副的空間機(jī)構(gòu)，如德國(guó)漢諾威大學(xué)研制的并聯(lián)機(jī)床采用的3-UPS-1-PU球坐標(biāo)式3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由于輔助桿件和運(yùn)動(dòng)副的制約，使得該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有1個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)（也可以說是3個(gè)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。（3）4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過3個(gè)支鏈與定平臺(tái)相連，有2個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)窍嗤?，各具?個(gè)虎克鉸U,1個(gè)移動(dòng)副P，其中P和1個(gè)R是驅(qū)動(dòng)副，因此這種機(jī)構(gòu)不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（4）5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國(guó)Lee的5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)（2

7、個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)合）。（5）6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域。但這類機(jī)構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、動(dòng)力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機(jī)床的精度標(biāo)定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機(jī)構(gòu)必須具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，也有擁有3個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-PRPS和3-URS等機(jī)構(gòu)，還有在3個(gè)分支的每個(gè)分支上附加1個(gè)5桿機(jī)構(gòu)作這驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)等。2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

8、的場(chǎng)合。主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：（1）模擬運(yùn)動(dòng)飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器工程模擬器，如船用搖擺臺(tái)等檢測(cè)產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動(dòng)下的運(yùn)行可靠性?shī)蕵愤\(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)。（2）對(duì)接動(dòng)作宇宙飛船的空間對(duì)接汽車裝配線上的車輪安裝醫(yī)院中的假肢接骨。（3）承載運(yùn)動(dòng)大扭矩螺栓緊固短距離重物搬運(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3 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

9、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?，F(xiàn)在，為了開發(fā)出高精度

10、、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

11、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

12、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。4 并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開發(fā)并聯(lián)機(jī)床都非常重視。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)(IMTS'94)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心并引起了轟動(dòng)2。此后，各主要工業(yè)國(guó)家都投入了大量的人力和物力進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)。如美國(guó)IngersollMilling公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司，英國(guó)GeodeticTechnology公司，俄羅斯Lapik公司，德國(guó)Mikromat公司、亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)、斯圖加特大學(xué)，挪威

13、Multicraft公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典Neos機(jī)器人公司，意大利Comau機(jī)床公司，丹麥Braunschweig公司，日本豐田公司、日立公司、三菱公司、韓國(guó)SENATECHNOLOGIES公司等單位相繼研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控機(jī)床、激光加工和水射流機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制造設(shè)備3，4。并聯(lián)機(jī)床所涉及的基本理論問題同樣引起了許多研究單位的重視，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利召開了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，2000年在美國(guó)召開了第二屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)。我國(guó)已在國(guó)家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)

14、予以支持。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員也在積極從事并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域的研究工作，并與相關(guān)企業(yè)合作研制了數(shù)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式各異的樣機(jī)5,6?；诓⒙?lián)機(jī)器人的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床研究已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域以及機(jī)床制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外所推出的各種并聯(lián)機(jī)床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)（尤其是其中的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)）來構(gòu)造機(jī)床（也有一些在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上再串接一、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)以增加工具的姿態(tài)空間）。根據(jù)其相應(yīng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)所具有的自由度主要有6自由度（6條腿）以及3自由度（3條腿）兩類；按照各分支鏈的驅(qū)動(dòng)方式可分為兩種形式：一種形式為各分支鏈（定長(zhǎng)桿）的一端通過滑塊（或絲杠螺母副）沿固定平臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng)（簡(jiǎn)稱“腿滑動(dòng)”）來改變動(dòng)平臺(tái)的位置及姿態(tài)；另一種形式為通過各分支鏈桿長(zhǎng)的伸縮（簡(jiǎn)稱“腿伸縮”）來改變動(dòng)平臺(tái)的位置及姿態(tài)。5 發(fā)展展望并聯(lián)機(jī)器人雖然經(jīng)過了幾十年的研究，在理論上比較成熟，但是很大程度上是在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，真正投入到生產(chǎn)實(shí)踐中的并聯(lián)機(jī)器人甚少。近年來，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究和發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。要從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的