并聯機器人機構學研究概況

摘 ?要：并聯機構是一種閉環機構，其動平臺或稱末端執行器通過至少2個獨立的運動鏈與機架相聯接，必備的要素如下：末端執行器必須具有運動自由度;這種末端執行器通過幾個相互關聯的運動鏈或分支與機架相聯接;每個分支或運動鏈由惟一的移動副或轉動副驅動。而并聯機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重比小、動力性能好、控制容易等一系列優點。

關鍵詞：并聯機構;并聯機器人;研究方向;應用

前言

并聯機器人雖然經過了幾十年的研究，在理論上比較成熟，但是很大程度上是在大學的實驗室，真正投入到生產實踐中的并聯機器人甚少。近年來，先進制造技術的發展對并聯機器人的研究和發展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術的發展，工業機器人已從當初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和重組的裝配、制造和加工系統中的生產設備。除了在結構上的優點，并聯機構在實際應用中更是有串聯機構不可比擬的優勢。

1 ?并聯機器人的起源與分類

1.1 ?并聯機構

并聯機構是一種閉環機構，與傳統的串聯機構相比，并聯機構的零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成。這些通用組件可由專門廠家生產，因而其制造和庫存備件成本比相同功能的傳統機構低得多，容易組裝和模塊化。

1.2 ?并聯機器人的起源與發展

1895年，數學家Cauchy研究一種“用關節連接的八面體”，開始人類歷史上并聯機器的研究。1938年Pollard提出采用并聯機構來給汽車噴漆。1949年Caough提出用一種并聯機構的機器檢測輪胎，這是真正得到運用的并聯機構。而并聯結構的提出和應用研究則開始于70年代。1965年，德國人Stewart發明了六自由度并聯機構，并作為飛行模擬器用于訓練飛行員。1978年澳大利亞人Hunttichu把六自由度的Stewart平臺機構作為機器人機構，自此，并聯機器人技術得到了廣泛推廣。

1.3 ?并聯機器人按機構的分類

從運動形式來看，并聯機構可分為平面機構和空間機構;細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構。

2 ?并聯機器人機構學的主要研究方向

并聯機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優點，在21世紀將有廣闊的發展前景。并聯機器人能夠解決串聯機器人應用中存在的問題，因而，并聯機器人擴大了整個機器人的應用領域。

2.1 構型設計

構型設計，即型綜合，是并聯機器人機構理論研究和應用的基礎性工作，包括機構自由度計算、構件數目、運動副種類和數目及運動副的組合方式確定等。由于并聯機器人機構自由度多，驅動器可分配在不同環路，其型綜合相對復雜，理論發展相對滯后，導致其可用機型較少，難以滿足研究和工業的需要。通過并聯機器人機構型綜合，不但可探索機構創新的途徑，而且有利于創造和設計出性能更優的并聯機器人機構。

2.2 ?奇異性和工作空間分析

奇異位形，也稱死點，即機構到達某個位置后，電機無法控制動平臺運動，奇異性是機構的固有性質，也是機器人機構一個重要的運動學特性。對奇異位形分析研究的目的就是如何使機構的運動避開奇異位形，對并聯機器人的應用具有重要意義。在工作空間分析中引入三維仿真技術可實現6維位姿空間可視化，正在成為研究熱點。

3 ?并聯機器人機構的應用

并聯機構由于其本身特點，一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應用有以下幾個方面：海上鉆井平臺、飛行員三維空間訓練模擬器駕駛模擬器、并聯機床、測量機裝置、宇宙飛船的空間對接、微動機構與微型機構等。

海上鉆井平臺主要有自升式和半潛式鉆井平臺。自升式鉆井平臺由平臺、樁腿和升降機構組成，平臺能沿樁腿升降，一般無自航能力。1953年美國建成第一座自升式平臺，這種平臺對水深適應性強，工作穩定性良好，發展較快，約占移動式鉆井裝置總數的1/2。工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進行預壓，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷。完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。

訓練用飛行模擬器具有節能、經濟、安全、不受場地和氣候條件限制等優點。目前已成為各類飛行員訓練必備工具。Stewart在1965年首次提出把六自由度并聯機構作為飛行模擬器，開此應用的先河。目前，國際上有大約67家公司生產基于并聯機構的各種運動模擬器。并聯平臺機構在軍事方面也得到了應用，將平臺裝于坦克或軍艦上，用它來模擬仿真路面譜和海面譜，以使目標的瞄準設計過程中不受這些因素的干擾，達到準確擊中目標的目的。

4 ?結論

（1）對不同自由度的并聯機構型綜合研究將會得到越來越多的新型并聯機器人機構，相應的設計及其運動學、動力學理論的研究，必將會進一步豐富并聯機器人領域的研究成果，并進一步擴大并聯機構的應用范圍。

（2）不同類型的并聯機構其位置正解數不同，其運動學關系各異，故位置正解的研究遠不能也不應該畫上句號。建立不同類型并聯機構尤其是新機型的位置正解數學模型并加以簡化，從而獲得滿足在線控制要求的通用實時解仍有很大的研究空間和必要。

（3）基于位置正解或逆解對不同類型并聯機器人機構工作空間的分析，并在全工作空間中確定出奇異性空間進而在其補集中實現軌跡規劃，是其應用的前提。在工作空間分析中引入三維動畫技術可實現6維位姿空間的可視化，正在成為研究熱點。

參考文獻

[1] ?曲云霞，李為民. 并聯機構構型研究概述[J].機械加工與設備，2007，（2）：48-50.

[2] ?彭忠琦. 并聯機構的發展及應用[J].光機電信息，2011，28（12）：45-59

作者簡介：高海洲（1990.06-），男，漢，碩士研究生，機械工程機械電子，龍蟒佰利聯集團股份有限公司。