并联机器人研究现状与发展概述

韩光 李智 刘艳敏

[摘 要] 串聯机器人以工作空间较大、操作灵活等特点得到了广泛应用，而并联机器人以刚度高、速度快、易控制等一系列优点，与串联机器人一同组成工业机器人的核心成分。通过对并联机器人进行运动学分析与并联机器人动力学分析等阐述了并联机器人的分析并联机器人研究的主要难点和发展趋势。

[关 键 词] 串联机器人；并联机器人；运动学分析；动力学分析

[中图分类号] TP242 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）35-0200-01

一、并联机构的发展

1931年4月，一种以球形表面的并联式机构的娱乐设备由Gwinnett先生最早提出，并申请专利成功。1962年，联机构中的6自由度设备由高夫发明，用于轮胎检测。1965年6月，高夫发明的一种装置由Stewart进行了机构学原理上的总结，将这种设备用于飞行模拟器，这种设备也是到目前为止应用最广的并联机构之一，它被称为Gough-Stewart机构。1978年7月，亨特采用并联机构来实现机器人手臂的研究，应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构。在20世纪80年代中后期，各国研究并联机器人的人很稀少，只有McDowWell、Earl、Stewart、Fichter、Duffy、Tesa等人，研究的成绩也相对较稀少。20世纪80年代末期以及90年代的初期，并联机器人真正的研究才开始得到了各国广泛的关注。中国对并联机器人的研究起步相对较迟，但在近几年里机器人技术飞速的发展，中国生产并联机器人的水平也日益提高。特别是进入到21世纪以后，并联机器人的理论和实验研究逐渐成熟，被广泛应用于各种领域。

二、并联机器人运动学分析

当在机构主动件的位置已知时，求解的正解是根据所需的方位关系所得的；当输出件的位置和姿态已知时，求解的机构输入件的位置称为机构位置的反解。在应用串联机器人的位置姿态分析中，反解是比较艰难的；但在并联的机器人位置的分析中，相对简单的是反解，我们认为这是并联机器人机构的分析特点。移动副作的相对移动是由驱动器推动的。若上平台在空间的位置和姿态给定时，要求得各个杆的长度，这也就是此机构位置的反解了。

当需要求位置正解时，相对有效的方式是使用数值方法来求解一组非线性方程组，来求得与输入位移对应的动平台的位置和姿态。现在我们采用一些数值方法对并联机器人运动求解，如拉格朗日法、牛顿迭代法、旋量和影响系数法等。基于UG建立三维模型，采用ADAMS测量参数的时间位移曲线，采用后处理模块得到正逆解关系，使数学计算减省。

三、并联机器人动力学分析

并联机器人的动力分析方法有拉格朗日法、牛顿—欧拉法、虚功原理法、凯恩方程法等其他方法。

拉格朗日法应用简单，运动方程所呈现为闭环的状态，不过运算效率低，而且计算效果差，用于Stewart的有一般结构和惯量分布的并联机器人，Mruthyunjaya与Dasgupta进行了相应公式的推导与证明，并利用Newton-Euler方法构架了一个较好的运算方法，在并联机器人的动力学计算中得到了广泛应用。秦皇岛市燕山大学的黄真老师利用虚设机构，提出虚等效力矩和分等效力矩的概念。蔡鹤皋先生等使用Lagrange方法构架并联机构的刚体动力学方程，应用虚功原理最后得到了力学上的动力学模型。李永泉老师等利用旋量键空间建立球形面2-DOF过约束，构架系统动力学模型可并存并联机器人机构的两种能量，所构架的动力学意义上的模型要有36个方程，但由于被动过约束和主动的空间过约束的存在，共有43个未知量需要求解。

四、并联机器人难点与展望

由于PC技术和自动化技术的迅猛前行，加强了现代学科对位置正解研究，使求得位置正解相对简单。

并联机器人将是时代发展的新方向，各个领域的发展都与之息息相关，所以对其进行大力发展是有重要的价值的。这类全新结构的机器人以并联机器人为代表。在经历了几十年发展后，并联机器人的理论日渐成熟，但还无法全部投入到生产实践中。但随着“智能制造2025”的发展步伐，产业化将越来越完善。自动化与智能化的结合定将推动并联机器人的发展与前进。相信在不久的将来并联机构的机器人一定可以更快地投入市场。

参考文献：

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