并联机器人机构学研究概况

摘  要：并联机构是一种闭环机构，其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接，必备的要素如下：末端执行器必须具有运动自由度;这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。而并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重比小、动力性能好、控制容易等一系列优点。

关键词：并联机构;并联机器人;研究方向;应用

前言

并联机器人虽然经过了几十年的研究，在理论上比较成熟，但是很大程度上是在大学的实验室，真正投入到生产实践中的并联机器人甚少。近年来，先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。

1  并联机器人的起源与分类

1.1  并联机构

并联机构是一种闭环机构，与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。

1.2  并联机器人的起源与发展

1895年，数学家Cauchy研究一种“用关节连接的八面体”，开始人类历史上并联机器的研究。1938年Pollard提出采用并联机构来给汽车喷漆。1949年Caough提出用一种并联机构的机器检测轮胎，这是真正得到运用的并联机构。而并联结构的提出和应用研究则开始于70年代。1965年，德国人Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚人Hunttichu把六自由度的Stewart平台机构作为机器人机构，自此，并联机器人技术得到了广泛推广。

1.3  并联机器人按机构的分类

从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构;细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。

2  并联机器人机构学的主要研究方向

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，在21世纪将有广阔的发展前景。并联机器人能够解决串联机器人应用中存在的问题，因而，并联机器人扩大了整个机器人的应用领域。

2.1 构型设计

构型设计，即型综合，是并联机器人机构理论研究和应用的基础性工作，包括机构自由度计算、构件数目、运动副种类和数目及运动副的组合方式确定等。由于并联机器人机构自由度多，驱动器可分配在不同环路，其型综合相对复杂，理论发展相对滞后，导致其可用机型较少，难以满足研究和工业的需要。通过并联机器人机构型综合，不但可探索机构创新的途径，而且有利于创造和设计出性能更优的并联机器人机构。

2.2  奇异性和工作空间分析

奇异位形，也称死点，即机构到达某个位置后，电机无法控制动平台运动，奇异性是机构的固有性质，也是机器人机构一个重要的运动学特性。对奇异位形分析研究的目的就是如何使机构的运动避开奇异位形，对并联机器人的应用具有重要意义。在工作空间分析中引入三维仿真技术可实现6维位姿空间可视化，正在成为研究热点。

3  并联机器人机构的应用

并联机构由于其本身特点，一般多用在需要高刚度、高精度和高速度而无需很大空间的场合。主要应用有以下几个方面：海上钻井平台、飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器、并联机床、测量机装置、宇宙飞船的空间对接、微动机构与微型机构等。

海上钻井平台主要有自升式和半潜式钻井平台。自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1/2。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。

训练用飞行模擬器具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件限制等优点。目前已成为各类飞行员训练必备工具。Stewart在1965年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。目前，国际上有大约67家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。并联平台机构在军事方面也得到了应用，将平台装于坦克或军舰上，用它来模拟仿真路面谱和海面谱，以使目标的瞄准设计过程中不受这些因素的干扰，达到准确击中目标的目的。

4  结论

（1）对不同自由度的并联机构型综合研究将会得到越来越多的新型并联机器人机构，相应的设计及其运动学、动力学理论的研究，必将会进一步丰富并联机器人领域的研究成果，并进一步扩大并联机构的应用范围。

（2）不同类型的并联机构其位置正解数不同，其运动学关系各异，故位置正解的研究远不能也不应该画上句号。建立不同类型并联机构尤其是新机型的位置正解数学模型并加以简化，从而获得满足在线控制要求的通用实时解仍有很大的研究空间和必要。

（3）基于位置正解或逆解对不同类型并联机器人机构工作空间的分析，并在全工作空间中确定出奇异性空间进而在其补集中实现轨迹规划，是其应用的前提。在工作空间分析中引入三维动画技术可实现6维位姿空间的可视化，正在成为研究热点。

参考文献

[1]  曲云霞，李为民. 并联机构构型研究概述[J].机械加工与设备，2007，（2）：48-50.

[2]  彭忠琦. 并联机构的发展及应用[J].光机电信息，2011，28（12）：45-59

作者简介：高海洲（1990.06-），男，汉，硕士研究生，机械工程机械电子，龙蟒佰利联集团股份有限公司。