并联机器人综述论文

摘要 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。本文根据掌握的大量并联机器人文献，对非对称3平动3ＵＰＵ并联机器人在运动学、动力学、机构性能分析等方面的主要研究成果、进展进行了阐述，同时阐述了非对称3平动3ＵＰＵ并联机器人在国内外的发展状况以及并联机器人构型设计原则

关键词 平动 3自由度 并联机器人

一、课题国内外现状及研究的主要成果

少自由度并联机器人 由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价 值，更具有较好的应用前景，因此少自由度的并联机器人的设计理论的研究和应用领域的拓展成为并联机器人的 研究热点之一。研究少自由度并联机构最早的学者应属澳大利亚著名机构学教授 Hunt ,在19xx年,他就列举了平面并联机 构、空间三自由度3-rps并联机构，但对四，五自由度并联机构未作详细阐述。在Hunt之后,不断有学者提出新的少自由度并联机构机型。在少自由度并联机构机型的研究中,三维平移并联机构得到广泛的重视。clavel提出了一种可实现纯 平运动三自由度Delta 并联机器人,在Delta机构的支链中采用平行四边形机构约束动平台的3个转动自由度。 Tsai提出的Delta机构完全采用回转副，并通 过转轴的偏移扩大了Delta机构的工作空间。在 Tricept并联机床上采用的构 型是由 Neumann发明的一种具有3个可控位置自由度的并联机构，该机构的突出特点是带有导向装置,采用3个内副驱动支链并由导向装置约束动平台。Tsai通过自由度分析提取支链的运动学特征,系统研究了并联机构的综合问题,特别研究了一类实现三自由度平动的并联机构。Rasim Alizade于20xx年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构的结构综合和分类的新方法和公式,并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串并联复联机构.我国燕山大学的黄真教授及其团队除了研制出解耦微型6维力传感器和微动机械， 设计出一种新的高精度的机构方案外,还率先对少自由度并联机器人的基础理静刚度和精度.上海交大的高峰教授20xx年运用复合副的概念来组合已知自由度数和自由度类型的支链,通过支链输出杆特殊的Plucker坐标来综合2-自由度的机器人。近几年，东南大学的杨廷力教授、金琼等以单开链soc单元和并联机器人机构结构组成的某些规律性，以机构具有各支路结构相同且简单、不存在虚约束、工作空间较大等特点，尤其是其运动分析正、逆解数目小，且运动输入输 出具有一定解耦性为目标，综合出了一类新型三平移并联机器人机构。其中的 3-RRC型机型，江苏大学的马履中教授、尹小琴等对其运动学、动力学等特性上进行了深入的研究，并将其应用在多维减振平台主体机构中。马履中等还研制一种五自由度并联机构作为中医推拿机器人。 沈惠平等研制一种新型三维平移并联机构作为虚拟轴机床、坐标测量机及机器人等的新型实用机型。

二、发展趋势。

由于20世纪70年代机电一体化技术的不断发展和广泛应用，使传统意义上的机器和机构的概念已有很大的发展。“现代机械”概念的形成成为机构学发展的一个新的里程碑，可以毫不夸张地说，现代机构学正在逐步形成。机构学中不少新内容、新方法、新理论正有待于我们去研究。现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入。将机构扩大为驱动元件与机构的集合将会大大有利于机构的创新和机构运动控制的研究和应用。对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来“刚性化”的输出发展成“柔性化”输出，从而使机构有了质的变化，有利于设计现代机械。现代机构已经在实际中得到应用，但对它的类型综合、运动学、动力学的研究才刚刚起步，有待深入。可以预期。现代机构学将会深入研究和广泛应用。机械系统的动力特性及动态稳定性将提高，现代机械向高速、高精度、高可控方向发展，通过机械系统的动力学建模及解法的

研究、动力分析与综合的研究，它将大大提高现代机械的设计水平和工作性能。

三、并联机器人构型设计原则

1、在进行机构形式设计时，除了要满足规定的运动形式、运动规律或运动轨迹外，还应该遵循下面几项准则:

（l）机构的运动链要尽可能的短。完成同样的动作要求，应该优先选用机构构件数和运动副数少的机构，以简化其结构从而减轻重量、降低成本、减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，运动链短有利于提高机构的刚度，减少振动。

（2）在运动副的选择上，优先选用低副。低副机构的运动元素加工方便，容易保证配合的精度以及有较高的承载能力。

（3）适当选择原动机，使机构有好的动力学性能。

2、并联机器人的尺度设计原则

以往，我们在设计阶段为了确定机器人操作手机构的尺寸和确定机器人操作手在工作空间内部的位置和姿态时多数是靠经验和直觉。现在，为了开发出高精度、高速度和高效率的并联机器人，我们在机构的综合设计时要考虑到它的工作空间的体积和形状、奇异位形、输出的各向同性等条件。但是，在全局最优的机构尺度综合设计中，顾全到上述的所有条件是十分困难的。国内外的学者提出了许多机构综合的标准，以便在满足指定的设计指标下，机构的性能达到最优。由于并联机器人与串联机器人相比，工作空间小。因此为实现作业要求，在设计时要先确定能够满足性能指标的工作空间是至关重要的。

另外，在并联机构的设计过程中必须要考虑要避免构型奇异。与串联机器人不同的是，并联机器人不仅有运动学奇异，还有由构型所导致的构型奇异。即奇异区域通常都扩张到整个工作空间或一些显著的子空间，而且是实际操作中最常用的区域。0.M给出了判定并联机构发生构型奇异的条件:

（l）如果动平台和定平台是相似的正多边形，则整个工作空间内雅戈比矩阵都是奇异的;

（2）如果动平台和定平台是相似的非正多边形，并且每一对相应的顶点通过一条连杆相连，则雅戈比矩阵在工作空间内的大部分区域都是奇异的。

这种设计上的奇异的存在，将使并联机器人由于无法平衡施加在动平台上的负载而不能工作。在构型奇异附近的区域，即使没有发生构型奇异，也有可能出现雅戈比矩阵条件数很大的情况，同样会导致运动和力的传递性能变的很差，我们称这种区域为病态条件区域。因此，进行并联机构尺度综合设计时必须考虑在满足工作空间要求、运动可传递性的要求以及负载能力要求的情况下，要避开构型奇异点及奇异点附近的病态区域

四、并联机构研究中存在的问题

目前，国内外关于并联机构的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等方面。其中并联机构的机构学与运动学主要集中在机构的运动学问题、奇异位形、工作空间和灵巧度分析等方面。并联机构机构学与运动学的研究在并联机 构的研究中占有重要的基础地位 ，是实现并联机器人、并联机床等控制和应用的基础。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机构进行动力学 分析和建模，并且研究利用各种可能的控制算法，对并联机器人、并联机床等实施控制， 从而达到期望的控制效果。从大量的关于并联机构的研究文献可以看出，近十余 年来，关于并联机器人各方面的研究工作都取得了很大的进展。但是，还有大量的工作需要进一步研究和开展，主要有以下几个方面：

（1） 进一步研究并联机器人机构的型数综合，寻求结构更加合理、适合不同用途的并联机构，使并联机构的运动学和动力学模型变得简单，同时考虑深入研究多种约束条件的并联机构优化设计方法。

（2）加强位置正解的研究，使位置正解更加简单。寻找简化精度补偿、工作空间和奇异位形的方法。

（3） 加强并联机构的动力学研究。

（4） 进一步加强串并联机器人的研究，充分利用串联和并联机构的优点，实现 功能强、特性好、类型广的新型机器人。

（5） 加强少自由度并联机构的研究，特别是动力学、精度标定、系控制、机构 结构的优化设计等问题，是目前和今后少自由度并联机器人机构研究和发展的方向。

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