并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的概述

賈雨璇 謝哲東

摘 要：詳細(xì)介紹并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況，介紹國內(nèi)和國外不同時期并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程。并且分別介紹了從六自由度并聯(lián)機(jī)器人及少自由度并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。介紹了不同并聯(lián)機(jī)器人的性能

關(guān)鍵詞：六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；應(yīng)用領(lǐng)域。

中圖分類號：S22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431024

1 引言

并聯(lián)機(jī)構(gòu)不僅具有剛度大，并且并聯(lián)機(jī)構(gòu)還具有適應(yīng)性強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以并聯(lián)機(jī)構(gòu)引起學(xué)者們的高度關(guān)注和深入研究。因此被應(yīng)用于各個行業(yè)的不同領(lǐng)域，例如航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域，是當(dāng)今極具有廣闊應(yīng)用前景的一類科研項(xiàng)目。

本文主要對國內(nèi)外不同階段不同類型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程和應(yīng)用領(lǐng)域以及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了概述。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有很多不同的分類方法，這里按自由度數(shù)目的不同，可將并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為2類：六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。自1965年著名的Stewart平臺問世以來并聯(lián)機(jī)構(gòu)在各個行業(yè)的各個領(lǐng)域開始了迅猛的發(fā)展。

2 國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比具有較高的剛度，承載能力，定位精度和良好的動態(tài)性能，并且結(jié)構(gòu)相對緊湊。而串聯(lián)機(jī)構(gòu)相對于并聯(lián)機(jī)構(gòu)則具有各條支鏈獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制相對容易等優(yōu)點(diǎn)。2類機(jī)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，相輔相成，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及各個領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)演化發(fā)展進(jìn)程是從一桿到多桿，從平面運(yùn)動到空間運(yùn)動，逐漸改變的過程。1947年，Gough發(fā)表文章提出了六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，引起了國內(nèi)外的工程領(lǐng)域的極大反響。著名的Stewart平臺最初是模擬飛行器的模型，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，由于Stewart平臺具有6個自由度，所以可以使動平臺上模擬航天飛船的駕駛艙獲得任意所需要的位置和姿態(tài)，如圖1。

1978年，著名的澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)家Hunt教授用螺旋理論對其空間的自由度進(jìn)行了分析，并對其結(jié)構(gòu)特性，機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了總體的研究分析，提出了許多新的結(jié)構(gòu)方案。此后，并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。但是在隨后并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入了瓶頸期，直到20世紀(jì)90年代初期，并聯(lián)機(jī)器人才再次進(jìn)入人們的視野中，又一次獲得了廣泛的關(guān)注，成為了國內(nèi)外研究的熱門課題。尤其在美國，德國，日本，中國，法國等都自主研發(fā)了基于Stewart平臺的并聯(lián)機(jī)床，從而同時促使了各類基于Stewart類型機(jī)床的各種專用部件的迅猛發(fā)展。此后，挪威 Muticraft，英國 Geodetic Technology，德國 Mikromat，和日本三菱等公司和研究機(jī)構(gòu)，都自主研發(fā)出了基于不同機(jī)構(gòu)不同類型的數(shù)控加工中心，激光或水射流等并聯(lián)制造設(shè)備。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)除了在工程中有較為典型的機(jī)床應(yīng)用外，還包括坐標(biāo)測量機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等方面的創(chuàng)新應(yīng)用。

國內(nèi)，燕山大學(xué)的黃真教授是研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的開拓者之一，并于20世紀(jì)90年代設(shè)計制造出六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。例如南昌的江東機(jī)床廠聯(lián)合清華大學(xué)研制了XNZ2010龍門式虛擬軸并聯(lián)機(jī)床。以上提出的虛擬軸機(jī)床已經(jīng)完全進(jìn)入了實(shí)用化的階段。如圖2，并已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用階段。東北大學(xué)研發(fā)了能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動的并聯(lián)機(jī)床DSX5-70。哈爾濱量具集團(tuán)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的國內(nèi)首創(chuàng)并聯(lián)數(shù)控機(jī)床6-SPS，能夠加工進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工。天津大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的大型并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)VAMTIY如圖3，是能夠?qū)崿F(xiàn)鏜、洗加工的大型數(shù)控機(jī)床。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)空間中的多種自由度的運(yùn)動。不同自由度具有不同條數(shù)和不同類型的各個支鏈。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型主要有：6R，3R3P，4RC，SPS，SRT，STR，SPC，PSS等等。其中，各參數(shù)的意義如下：

由于一些應(yīng)用場合并不一定需要6個自由度，且六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在作業(yè)空間相對較小，支鏈干涉大，運(yùn)動耦合性大，控制相對復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以近幾年來的研究趨向于少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。最具有代表性的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是1985年，Clavel博士提出的，是以Delta機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的機(jī)械手。動力源采用的是外轉(zhuǎn)動副驅(qū)副驅(qū)動以及平行四邊形的支鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的三維高速運(yùn)動。混聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)備也是最近幾年來又一熱點(diǎn)課題。其機(jī)構(gòu)特性的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能彌補(bǔ)純并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈干涉，運(yùn)動工作空間小等缺點(diǎn)，還提出了一種創(chuàng)新型的模塊，即“即插即用”型模塊。可以構(gòu)建各種形式，不同用途的系統(tǒng)及制造設(shè)備。此類混聯(lián)型機(jī)構(gòu)代表性的的設(shè)備如Tricept機(jī)械手，是于1985年由Neumann博士提出的，并且在1987年獲得了專利其總體性能良好，工作空間相對純并聯(lián)機(jī)構(gòu)較大，動靜態(tài)性能良好。并具有可重構(gòu)的特點(diǎn)。

我國研制了并聯(lián)三坐標(biāo)動力頭——A3動力頭，而后提出的3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為A3頭的拓?fù)錁?gòu)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。主要研究方向有機(jī)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、精度分析、剛度分析、虛擬樣機(jī)、性能評估等等，如圖4。

3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域的飛行運(yùn)動模擬器、并聯(lián)機(jī)器人操作器、新型虛擬軸機(jī)床、體感模擬機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、航天器交會對接等等方面都有廣泛的應(yīng)用。

3.1 運(yùn)動模擬器

該類機(jī)構(gòu)用于飛行模擬訓(xùn)練，既經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全又不受客觀條件限制。由于它的諸多安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已發(fā)展成飛行員日常訓(xùn)練的必備設(shè)備。

3.2 航天飛行器對接器

3.5 其他應(yīng)用

由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多的高性能優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)用天文望遠(yuǎn)鏡、加工裝配、測量、焊接、挖掘、航海、娛樂設(shè)施等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)構(gòu)還在大型天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整中的應(yīng)用。還出現(xiàn)了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靈巧手。

參考文獻(xiàn)

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