機器人作業(yè)關于并聯(lián)機構發(fā)展及應用

并聯(lián)機構發(fā)展及應用小組成員：何斌2011330300409機電1班胡幸超20113303004010機電1班董徐鋒2011330300407機電1班陳國民2011330300406機電1班摘要：自人類文明以來，人類不斷地發(fā)明了各種機構(機械)，機構早己同人類生活息息相關?？茖W技術的不斷創(chuàng)新，機器人、宇航工程、海洋工程等高新技術領域的開發(fā)，及工業(yè)自動化、交通、郵電、醫(yī)療等事業(yè)的發(fā)展，研制能夠滿足高精度、重負載、高效率要求的新機構已迫在眉睫。與串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構具有運動慣量低、剛度大、靈巧度高、體積小和功率重量比高等許多優(yōu)點。因此，并聯(lián)機構較適合用于大載荷或者高速、高精確的機構運動場合。1并聯(lián)機構的發(fā)展并聯(lián)機構（ParallelMechanism，簡稱PM），可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)機構。自人類文明以來，人類不斷地發(fā)明了各種機構(機械)，機構早己同人類生活息息相關?？茖W技術的不斷創(chuàng)新，機器人、宇航工程、海洋工程等高新技術領域的開發(fā)，及工業(yè)自動化、交通、郵電、醫(yī)療等事業(yè)的發(fā)展，研制能夠滿足高精度、重負載、高效率要求的新機構已迫在眉睫。機構的發(fā)展大致經歷了從一桿到多桿、從平面到空間、從串聯(lián)到并聯(lián)的過程?？臻g多環(huán)機構學，是當今隨機器人發(fā)展而興起的一個機構學分支。這種機構在結構上由多個相同類型的運動鏈，在運動平臺與固定機架之間并聯(lián)形成。與串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構具有運動慣量低、剛度大、靈巧度高、體積小和功率重量比高等許多優(yōu)點。因此，并聯(lián)機構較適合用于大載荷或者高速、高精確的機構運動場合。并聯(lián)機構的分類：從運動形式來看，并聯(lián)機構可分為平面機構和空間機構；細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構,另可按并聯(lián)機構的自由度數(shù)分類：（1）2自由度并聯(lián)機構。2自由度并聯(lián)機構，如5-R、3-R-2-P（R表示轉動副，P表示移動副）平面5桿機構是最典型的2自由度并聯(lián)機構，這類機構一般具有2個移動運動。（2）3自由度并聯(lián)機構。3自由度并聯(lián)機構各類較多，形式較復雜，一般有以下形式：平面3自由度并聯(lián)機構，如3-RRR機構、3-RPR機構，它們具有2個移動和一個轉動；球面3自由度并聯(lián)機構，如3-RRR球面機構、3-UPS-1-S球面機構，3-RRR球面機構所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構的中心，而3-UPS-1-S球面機構則以S的中心點為機構的中心，機構上的所有點的運動都是繞該點的轉動運動；3維純移動機構，如StarLike并聯(lián)機構、Tsai并聯(lián)機構和DELTA機構，該類機構的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構；空間3自由度并聯(lián)機構，如典型的3-RPS機構，這類機構屬于欠秩機構，在工作空間內不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點，由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構在實際中的廣泛應用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構，如德國漢諾威大學研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU球坐標式3自由度并聯(lián)機構，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構的運動平臺具有1個移動和2個轉動的運動（也可以說是3個移動運動）。（3）4自由度并聯(lián)機構。4自由度并聯(lián)機構大多不是完全并聯(lián)機構，如2-UPS-1-RRRR機構，運動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1個虎克鉸U，1個移動副P，其中P和1個R是驅動副，因此這種機構不是完全并聯(lián)機構。（4）5自由度并聯(lián)機構?，F(xiàn)有的5自由度并聯(lián)機構結構復雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構具有雙層結構（2個并聯(lián)機構的結合）。（5）6自由度并聯(lián)機構。6自由度并聯(lián)機構是并聯(lián)機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的并聯(lián)機構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構中，也有擁有3個運動鏈的6自由度并聯(lián)機構，如3-PRPS和3-URS等機構，還有在3個分支的每個分支上附加1個5桿機構作這驅動機構的6自由度并聯(lián)機構等。早期的并聯(lián)構型裝備及特點結構中包含一個或多個并聯(lián)機構的機器稱為并聯(lián)構型裝備。只要是多自由度,驅動器分配在不同環(huán)路上的閉式多環(huán)機構均可稱為并聯(lián)機構。20世紀中葉,羅馬尼亞人Gough采用并聯(lián)機構設計了一種六自由度的輪胎測試機(見圖1),這種結構被稱為六足結構(Hexapod)。1965年,Stewart將一種并聯(lián)機構用于飛行模擬器,它包含三個支鏈,每個支鏈上分別通過一個固定平臺上的旋轉關節(jié)和一個可伸縮連桿來控制。這種機構具有六自由度,被稱為Stewart平臺。1978年,澳大利亞機構學家Hunt提出并聯(lián)機構可以應用于機器人操作。此后若干年,并聯(lián)構型裝備的研究進展緩慢,主要是受到計算機和伺服控制技術的限制,計算6個支鏈運動的時間和物質花費太大。但一些經濟實力雄厚的部門已開始使用并聯(lián)機構,主要應用于航空、航天等領域。隨著計算機技術的發(fā)展,尤其是計算快速、功能強大的工業(yè)PC出現(xiàn)之后,促進了并聯(lián)機構的應用和發(fā)展。80年代后期,幾種基于并聯(lián)結構的機器人相繼出現(xiàn),它們普遍具有較高的速度和加速度,動態(tài)特性好,在裝配行業(yè)得到很好的應用。但真正引起轟動是在1994年的芝加哥機床展覽會上,Giddings&Lewis和Ingersoll分別推出了基于并聯(lián)機構的六足機床,被媒體譽為“機床結構的重大革命”、“二十一世紀的數(shù)控加工裝備”。從此并聯(lián)構型裝備一直是制造業(yè)的研究熱點之一。這種結構的主要特點是:1)桿件只受拉壓,不受彎曲應力;2)剛度高,承載能力與整機質量比大;3)移動部件質量小,可獲得很高的動態(tài)特性;4)零件標準化程度高,易于實現(xiàn)模塊化設計;5)作業(yè)空間與機器尺寸比小;6)靈活性較差,運動平臺傾斜角度較小;7)作業(yè)空間存在桿件干涉和奇異位變形危險Stewart平臺并聯(lián)機構最先用于飛行模擬器，即在地面訓練飛行駕駛員。飛行模擬器可以承擔90％的飛行訓練任務，而每小時的訓練費用僅是實際空中飛行的1／40～1／10，效益顯著，很快獲得推廣。飛行模擬器在培訓駕駛員方面的成功應用，使它很快被推廣到高速列車、船舶、坦克和汽車的動態(tài)性能試驗、駕駛員培訓以及公眾娛樂設施項目。此外，運動模擬器還可以用于各種設施的振動試驗臺、地震模擬器和防震裝置。其次Stewart平臺并聯(lián)機構多用于并聯(lián)機床。所謂并聯(lián)機床是指并聯(lián)機構作為進給傳動機構的數(shù)控機床，其原型機是并聯(lián)機器人操作機。這種新型制造裝備在構思上體現(xiàn)了現(xiàn)代系統(tǒng)集成的思想，在功能上是加工、測量、裝配與物料搬運等多種工藝過程的集成，在性能上是高剛度、高精度、高速度、高柔性、輕重量、低成本的集成，是知識經濟初見端倪的高科技機電一體化產品。并聯(lián)構型裝備已成為制造業(yè)目前的研究熱點之一。與串聯(lián)構型相比,并聯(lián)構型具有剛度好、精度高、高速和高加速度等特點,眾多研究機構和制造企業(yè)都看好其在制造領域的應用前景。目前多種并聯(lián)構型裝備已經被設計和開發(fā)出來,應用的領域涉及機床、機器人、定位裝置、娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生等。研究人員正試圖開發(fā)出在速度、剛度、精度和費用等方面更優(yōu)的并聯(lián)構型裝備,以便在與傳統(tǒng)制造裝備的競爭中占據(jù)更有利的地位。目前，并聯(lián)機床的研究與開發(fā)已經得到國內外學術界和工程界的廣泛重視，并紛紛投入大量人力和物力競相開發(fā)，于九十年代初以來相繼推出多種結構的產品化樣機。特別是在1994年芝加哥國際機床博覽會上（IMTS’94）,美國Giddings&Lewis和Ingersoll公司首次展出了稱為“變異型”（VARIAX）和“六足蟲”（Hexapods）的數(shù)控機床后，并聯(lián)機床的研發(fā)在世界范圍內更是方興未艾。英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞士NeosRobotic公司，丹麥Braunschweig公司，漢諾威大學和斯圖加特大學等單位在短短的三、四年內也已先后研制出不同結構形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機床、坐標測量機和鏜銑類加工中心。與之相呼應，由美國Sandia國家實驗室和美國國家標準局（NIST）倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會（HexapodUser’sGroup），并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設立站點。2并聯(lián)機構國內研究現(xiàn)狀在國內，少自由度并聯(lián)機構研究已有20年歷史，但是進展卻是甚慢，曾今也有專家小組對其進行了研究，取得了可喜的成績，他們建立了對型綜合有關鍵意義的全面適用的自由度修正的Grübler-Kutzbach公式；首創(chuàng)了簡捷、實用、全面適用的“約束螺旋綜合理論”。在國際上首次形成系統(tǒng)、完整、適用的機構綜合理論。從機型綜合上說，第一，在國際上領先綜合出第一個對稱的四自由度和第一個五自由度的并聯(lián)機構；第二，3轉2移這類最難的5自由度對稱并聯(lián)機構也是唯一地由課題組系統(tǒng)地綜合出來；第三，在約束螺旋理論指導下，形成了目前唯一地能全面綜合出所有各種類型的少自由度并聯(lián)機構的方法，并綜合出百余種新的機型。這項研究的主要內容已在國際上的著名的學術期刊上發(fā)表，發(fā)表論文16篇，申請了6項專利其中兩項已獲授權，在國際學術界有了較大的影響。本項研究成果將為機器人學術界和產業(yè)界提供適用的新機型和普遍適用的理論，眾多機型又為應用提供廣泛選擇的機會，都具有中國的知識產權。近年來，與并聯(lián)機床/并聯(lián)機器人操作機有關的學術會議也層出不窮。我國已在國家“九五”科技攻關計劃和“863”高技術發(fā)展計劃中對并聯(lián)機構的研究與開發(fā)予以支持，中國科學院沈陽自動化研究所、清華大學、天滓大學、哈爾濱工業(yè)大學、東北大學、河北工業(yè)大學等單位的研究人員也在積極從事并聯(lián)機床領域的研究工作，并與相關企業(yè)合作研制了數(shù)臺結構形式各異的樣機。國內清華大學與其他三家骨干機床廠家聯(lián)合研制了三臺結構各異的虛擬軸機床，與南昌江東機床廠聯(lián)合開發(fā)的龍門式虛擬軸機床XNZ2010、與昆明機床股份有限公司聯(lián)合研制的虛擬軸機床XNZ63、與大連機床廠聯(lián)合研制的五軸聯(lián)動串并聯(lián)機床DcB一510。這三臺虛擬軸機床均已進入了實用化樣機的水平，有望在近期實現(xiàn)商品化。中科院沈陽自動化研究所研制出一臺五坐標并聯(lián)機床，該機床正在中科院沈陽自動化研究所進行切削實驗以對其性能做進一步的評價。哈爾濱工業(yè)大學成立了金時科技有限公司，專門承攬并聯(lián)機構的設計制造業(yè)務，已成功完成了多項大型并聯(lián)機構的項目，開發(fā)的并聯(lián)機構主要應用于大型機械裝配、深海動力學模擬等。3并聯(lián)機構的特點及應用并聯(lián)機構的性能分析：并聯(lián)機構設計是一個復雜而困難的問題，因此在設計過程中不可避免要以一定的性能指針為基礎，這包括機器人的結構對稱性、Jacobian矩陣的各向同性、速度及承載能力、剛度、精度、特殊位形、冗長自由度以及工作空間的大小等只要是多自由度,驅動器分配在不同環(huán)路上的閉式多環(huán)機構均可稱為并聯(lián)機構。這種結構的主要特點是：1）桿件只受拉壓,不受彎曲應力；2）剛度高,承載能力與整機質量比大；3）移動部件質量小,可獲得很高的動態(tài)特性；4）零件標準化程度高,易于實現(xiàn)模塊化設計；5）作業(yè)空間與機器尺寸比??；6）靈活性較差,運動平臺傾斜角度較??；7）作業(yè)空間存在桿件干涉和奇異位變形危險。結構中包含一個或多個并聯(lián)機構的機器稱為并聯(lián)構型裝備。并聯(lián)機構主要應用領域可分為兩大類，即運載機械的運動模擬器和操作機。運載機械包括所有載人和載貨的運輸工具以及其他機械，如飛機、列車、船舶、坦克、汽車以及動態(tài)游樂設施等。并聯(lián)機構的另外一個主要的應用是作為操作機。例如，并聯(lián)機構可以在汽車總裝線上自動安裝車輪部件。它從側面抓住由傳送鏈送來的車輪部件，然后轉過180。以與總裝線同步的速度，將車輪裝到車體上，并將所有螺栓一次擰緊。又如，并聯(lián)機構也可用于航天飛船對接器的對按機構，上下平臺作為對接器的對接環(huán)，平臺中間有通孔，作為對接后的通道。對接器可以完成主動抓取、對正拉緊、柔性聯(lián)結以及鎖住卡緊等一系列工作。并聯(lián)機構作為操作機的一個典型應用是并聯(lián)機床。1994年在芝加哥國際機床博覽會(LMTS94)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexpod)和“變異型”(VARIX)的數(shù)控機床與加工中心并引起了轟動，被媒體譽為“機床結構的重大革命”、“二十一世紀的數(shù)控加工裝備”。從此并聯(lián)構型裝備一直是制造業(yè)的研究熱點之一。此后，各主要工業(yè)國家都投入了大量的人力和物力進行并聯(lián)機床的研究與開發(fā)。此外，并聯(lián)機構可廣泛用于醫(yī)學、天文學、微動機構等各方面。從機床運動學的觀點看，并聯(lián)機床與傳統(tǒng)機床的本質區(qū)別在于動平臺在操作空間的運動是關節(jié)空間伺服運動的非線性映射（又稱虛實映射）。因此，在進行運動控制時，必須通過逆解模型，將事先給定的刀具位置姿態(tài)及速度信息變換為伺服系統(tǒng)的控制指令，并驅動并聯(lián)機構實現(xiàn)刀具的期望運動。由于構型和尺度參數(shù)不同，導致不同并聯(lián)機床虛實映射數(shù)學模型和參數(shù)不盡相同，因此必須采用開放式體系結構建造數(shù)控系統(tǒng)。因此，深入開展并聯(lián)機床開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構的研究，切實解決其中的關鍵技術難題，對推動這類新興數(shù)控裝備的產業(yè)化進程有著極其重要的意義。并聯(lián)機構同時也可用于坐標測量機。由于并聯(lián)運動機構具有結構剛性大、運動速度高、誤差不疊加等特點，因而若將其應用于坐標測量機中，將有可能使坐標測量機的測量精度及測量效率等性能得到很大程度的改善。與常用的串聯(lián)運動機構的坐標測量機相比，并聯(lián)機構的坐標測量機具有以下特點：①并聯(lián)坐標測量機中的可動平臺同時經由３根(或６根)可沿各自軸向伸縮的上連桿支撐，從而使整個系統(tǒng)的剛度較串聯(lián)機構坐標測量機有較大程度的提高；②各并聯(lián)桿件只承受沿軸向的線性調節(jié)力的作用，因而其運動誤差小，且桿件不易變形；③并聯(lián)機構中，各桿件間不存在誤差累積和放大關系，因而容易實現(xiàn)高精度。4.總結并聯(lián)機構的應用可以提高機器定位精準度以及節(jié)省機構空間，同時具備剛性高、承載能力高與速度快等優(yōu)點，確實值得長期投入研究開發(fā)，然而研究并聯(lián)機構所面臨的挑戰(zhàn)包括：

1.工作空間的解析：并聯(lián)機器人工作空間的解析是一個非常復雜的問題，它在很大的程度上依賴于機構位置解的研究結果，至今仍沒有完善的方法，因此如何利用關節(jié)角度的約束、各連桿長度的約束和機構各構件的干涉來確定并聯(lián)機器人操