并聯機構的發展及應用領域的概述

賈雨璇 謝哲東

摘 要：詳細介紹并聯機構的發展概況，介紹國內和國外不同時期并聯機構的發展進程。并且分別介紹了從六自由度并聯機器人及少自由度并聯機器人的應用領域。介紹了不同并聯機器人的性能

關鍵詞：六自由度并聯機構；少自由度并聯機構；應用領域。

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431024

1 引言

并聯機構不僅具有剛度大，并且并聯機構還具有適應性強，精度高等優點，所以并聯機構引起學者們的高度關注和深入研究。因此被應用于各個行業的不同領域，例如航空航天、船舶、汽車等領域，是當今極具有廣闊應用前景的一類科研項目。

本文主要對國內外不同階段不同類型并聯機構的發展進程和應用領域以及其結構的優缺點進行了概述。并聯機構有很多不同的分類方法，這里按自由度數目的不同，可將并聯機構分為2類：六自由度的并聯機構，少自由度的并聯機構。自1965年著名的Stewart平臺問世以來并聯機構在各個行業的各個領域開始了迅猛的發展。

2 國內外并聯機構的發展

并聯機構與串聯機構相比具有較高的剛度，承載能力，定位精度和良好的動態性能，并且結構相對緊湊。而串聯機構相對于并聯機構則具有各條支鏈獨立調節，控制相對容易等優點。2類機構具有各自的優缺點，相輔相成，在工業、農業以及各個領域中都起著至關重要的作用。

并聯機構演化發展進程是從一桿到多桿，從平面運動到空間運動，逐漸改變的過程。1947年，Gough發表文章提出了六自由度的并聯機構，引起了國內外的工程領域的極大反響。著名的Stewart平臺最初是模擬飛行器的模型，應用于航空航天領域，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，如圖1。

1978年，著名的澳大利亞機構學家Hunt教授用螺旋理論對其空間的自由度進行了分析，并對其結構特性，機構性能進行了總體的研究分析，提出了許多新的結構方案。此后，并聯機構廣泛的應用于機器人領域。但是在隨后并聯機器人發展進入了瓶頸期，直到20世紀90年代初期，并聯機器人才再次進入人們的視野中，又一次獲得了廣泛的關注，成為了國內外研究的熱門課題。尤其在美國，德國，日本，中國，法國等都自主研發了基于Stewart平臺的并聯機床，從而同時促使了各類基于Stewart類型機床的各種專用部件的迅猛發展。此后，挪威 Muticraft，英國 Geodetic Technology，德國 Mikromat，和日本三菱等公司和研究機構，都自主研發出了基于不同機構不同類型的數控加工中心，激光或水射流等并聯制造設備。六自由度并聯機構除了在工程中有較為典型的機床應用外，還包括坐標測量機和醫療設備等方面的創新應用。

國內，燕山大學的黃真教授是研究并聯機構的開拓者之一，并于20世紀90年代設計制造出六自由度并聯機構。例如南昌的江東機床廠聯合清華大學研制了XNZ2010龍門式虛擬軸并聯機床。以上提出的虛擬軸機床已經完全進入了實用化的階段。如圖2，并已經進入商業化生產應用階段。東北大學研發了能實現五軸聯動的并聯機床DSX5-70。哈爾濱量具集團聯合哈爾濱工業大學研發的國內首創并聯數控機床6-SPS，能夠加工進行復雜曲面的加工。天津大學與清華大學聯合研發的大型并聯機床樣機VAMTIY如圖3，是能夠實現鏜、洗加工的大型數控機床。

并聯機構能夠實現空間中的多種自由度的運動。不同自由度具有不同條數和不同類型的各個支鏈。六自由度并聯機構的類型主要有：6R，3R3P，4RC，SPS，SRT，STR，SPC，PSS等等。其中，各參數的意義如下：

由于一些應用場合并不一定需要6個自由度，且六自由度并聯機構存在作業空間相對較小，支鏈干涉大，運動耦合性大，控制相對復雜等缺點，所以近幾年來的研究趨向于少自由度的并聯機構。最具有代表性的少自由度并聯機構是1985年，Clavel博士提出的，是以Delta機構為基礎結構的機械手。動力源采用的是外轉動副驅副驅動以及平行四邊形的支鏈機構，實現了末端執行器的三維高速運動。混聯機構設備也是最近幾年來又一熱點課題。其機構特性的優點在于不僅能彌補純并聯機構支鏈干涉，運動工作空間小等缺點，還提出了一種創新型的模塊，即“即插即用”型模塊。可以構建各種形式，不同用途的系統及制造設備。此類混聯型機構代表性的的設備如Tricept機械手，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機構較大，動靜態性能良好。并具有可重構的特點。

我國研制了并聯三坐標動力頭——A3動力頭，而后提出的3-PRS并聯機構為A3頭的拓撲構型并聯機構。主要研究方向有機構設計、運動學、動力學、精度分析、剛度分析、虛擬樣機、性能評估等等，如圖4。

3 并聯機構的應用

并聯機構的應用在不同的領域，如航空航天領域的飛行運動模擬器、并聯機器人操作器、新型虛擬軸機床、體感模擬機、醫療設備、航天器交會對接等等方面都有廣泛的應用。

3.1 運動模擬器

該類機構用于飛行模擬訓練，既經濟、節能、安全又不受客觀條件限制。由于它的諸多安全經濟等優點，現已發展成飛行員日常訓練的必備設備。

3.2 航天飛行器對接器

3.5 其他應用

由于并聯機構的諸多的高性能優點，還應用天文望遠鏡、加工裝配、測量、焊接、挖掘、航海、娛樂設施等眾多應用領域。并聯機構還在大型天文望遠鏡的姿態調整中的應用。還出現了基于并聯機構的靈巧手。

參考文獻

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