并聯機器人研究現狀與發展概述

韓光 李智 劉艷敏

[摘 要] 串聯機器人以工作空間較大、操作靈活等特點得到了廣泛應用，而并聯機器人以剛度高、速度快、易控制等一系列優點，與串聯機器人一同組成工業機器人的核心成分。通過對并聯機器人進行運動學分析與并聯機器人動力學分析等闡述了并聯機器人的分析并聯機器人研究的主要難點和發展趨勢。

[關 鍵 詞] 串聯機器人；并聯機器人；運動學分析；動力學分析

[中圖分類號] TP242 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）35-0200-01

一、并聯機構的發展

1931年4月，一種以球形表面的并聯式機構的娛樂設備由Gwinnett先生最早提出，并申請專利成功。1962年，聯機構中的6自由度設備由高夫發明，用于輪胎檢測。1965年6月，高夫發明的一種裝置由Stewart進行了機構學原理上的總結，將這種設備用于飛行模擬器，這種設備也是到目前為止應用最廣的并聯機構之一，它被稱為Gough-Stewart機構。1978年7月，亨特采用并聯機構來實現機器人手臂的研究，應用6自由度的Stewart平臺機構作為機器人機構。在20世紀80年代中后期，各國研究并聯機器人的人很稀少，只有McDowWell、Earl、Stewart、Fichter、Duffy、Tesa等人，研究的成績也相對較稀少。20世紀80年代末期以及90年代的初期，并聯機器人真正的研究才開始得到了各國廣泛的關注。中國對并聯機器人的研究起步相對較遲，但在近幾年里機器人技術飛速的發展，中國生產并聯機器人的水平也日益提高。特別是進入到21世紀以后，并聯機器人的理論和實驗研究逐漸成熟，被廣泛應用于各種領域。

二、并聯機器人運動學分析

當在機構主動件的位置已知時，求解的正解是根據所需的方位關系所得的；當輸出件的位置和姿態已知時，求解的機構輸入件的位置稱為機構位置的反解。在應用串聯機器人的位置姿態分析中，反解是比較艱難的；但在并聯的機器人位置的分析中，相對簡單的是反解，我們認為這是并聯機器人機構的分析特點。移動副作的相對移動是由驅動器推動的。若上平臺在空間的位置和姿態給定時，要求得各個桿的長度，這也就是此機構位置的反解了。

當需要求位置正解時，相對有效的方式是使用數值方法來求解一組非線性方程組，來求得與輸入位移對應的動平臺的位置和姿態。現在我們采用一些數值方法對并聯機器人運動求解，如拉格朗日法、牛頓迭代法、旋量和影響系數法等。基于UG建立三維模型，采用ADAMS測量參數的時間位移曲線，采用后處理模塊得到正逆解關系，使數學計算減省。

三、并聯機器人動力學分析

并聯機器人的動力分析方法有拉格朗日法、牛頓—歐拉法、虛功原理法、凱恩方程法等其他方法。

拉格朗日法應用簡單，運動方程所呈現為閉環的狀態，不過運算效率低，而且計算效果差，用于Stewart的有一般結構和慣量分布的并聯機器人，Mruthyunjaya與Dasgupta進行了相應公式的推導與證明，并利用Newton-Euler方法構架了一個較好的運算方法，在并聯機器人的動力學計算中得到了廣泛應用。秦皇島市燕山大學的黃真老師利用虛設機構，提出虛等效力矩和分等效力矩的概念。蔡鶴皋先生等使用Lagrange方法構架并聯機構的剛體動力學方程，應用虛功原理最后得到了力學上的動力學模型。李永泉老師等利用旋量鍵空間建立球形面2-DOF過約束，構架系統動力學模型可并存并聯機器人機構的兩種能量，所構架的動力學意義上的模型要有36個方程，但由于被動過約束和主動的空間過約束的存在，共有43個未知量需要求解。

四、并聯機器人難點與展望

由于PC技術和自動化技術的迅猛前行，加強了現代學科對位置正解研究，使求得位置正解相對簡單。

并聯機器人將是時代發展的新方向，各個領域的發展都與之息息相關，所以對其進行大力發展是有重要的價值的。這類全新結構的機器人以并聯機器人為代表。在經歷了幾十年發展后，并聯機器人的理論日漸成熟，但還無法全部投入到生產實踐中。但隨著“智能制造2025”的發展步伐，產業化將越來越完善。自動化與智能化的結合定將推動并聯機器人的發展與前進。相信在不久的將來并聯機構的機器人一定可以更快地投入市場。

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