机器人学-并联机构的基础理论
并联机器人-课件PPTb第1章 并联机器人概述
(3) 并联机构的类型
图1-3 2-PRR的2自由度并联机构 图1-4 3-RPS的3自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-5 4-UPU的4自由度并联机构
图1-6 3-5R的5自由度并联机构
(3) 并联机构的类型
图1-7 6-UPU的6自由度并联机构 图1-8 4-SPS/S的3自由度冗余驱动并联机构
并联机器人在模拟设备中的应用
六自由度飞机飞行模拟器
并联机器人在模拟设备中的应用
六自由度动感座椅
并联机器人在模拟设备中的应用
六自由度模拟平台
并联机器人在模拟设备中的应用
三自由度动感座椅
并联机器人在模拟设备中的应用
导弹运动姿态模拟器
1.3.3 并联机器人在医疗器械中的应用
医用并联微动机器人
并联机器人在医疗器械中的应用
表1.1 常见运动副的类型及其代表符号
名称 符号 类型及级别 自由度 约束数
空间低副，
转动副 R
V级副（平 面低副，Ⅱ
1R
5
级副）
空间低副，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
移动副 P
V级副（平 面低副，Ⅱ
1T
5
级副）
螺旋副 H
空间低副 V级副
1R或1T
5
图形
基本符号
圆柱副 C
空间低副 Ⅳ级副
1RIT
4
虎克铰 U
空间低副 Ⅳ级副
2R
定平台和动平台之间用弹性连杆或弹性铰 链连接的并联机器人为柔顺并联机器人。
柔顺并联机器人
6自由度的铰链柔顺并联机器人 6自由度Stewart微操作平台
PSS柔性支链
1.2.5 按并联机器人的结构对称性分类
机器人机构学【ch07】3T-0R并联机器人机构拓扑结构综合与分类 培训教学课件
支路结构类型与支路组合
例如，表7-1中SOC栏第二列所给出的7种类型。
支路结构类型与支路组合
混合单开链支路结构类型
根据表6-1选定4种两支路并联机器人机构，如图7-1所示。
支路结构类型与支路组合
支路组合方案 基于并联机器人机构支路数目、主动副位置，同时考虑到并联机器人机构对 称性、SOC支路与HSOC支路结构特点和运动输出特征，由表7-1所示的支 路类型可设计很多组合方案，均可获得3T-0R并联机器人机构，这里仅列出 部分组合方案。
表7-2中No.22～No.24等并联机器人机构。该类机构在装配时，应满足ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ持瞬时运动
特性不变的条件。然而，制造与装配误差总会存在，故其运动敏感性较强。
”
谢谢观看
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
图7-9所示的3T-0R并联机器人机构。根据主动副判定准则，该并联机器人机构同一平台上的3个P副可 同时为主动副。
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
基于改变支路运动副次序或方向的类型扩展：图7-10所示的两种混合单开链支路运动输出特征等效， 其区别仅在于4R平行四边形回路在支路中位置不同。
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类
3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类 基于等效支路的完全取代扩展
① SOC{I-B(1)}，即SOC{-H//H//H//H-}。
② HSOC{I-B(1)}，即HSOC{-R(-P(4R))//R//P-}。
并联机器人机构学的现代分析与综合理论
并联机器人机构学的现代分析与综合理论推荐单位：教育部项目简介：本项目属于机械工程科学技术领域。
并联机构在军事和民用都有重要应用，存在结构复杂、强运动耦合和强非线性等特点，是知识密集型机构，也是并联机器人的核心科学问题，并成为机器人研究领域的重要国际前沿课题。
本课题组经过20多年的研究，建立了并联机构现代分析与综合的通用理论。
主要内容有：(1)建立基于螺旋理论的少自由度并联机构构型综合理论，并系统地综合出全部9种类型机构100多种; (2)提出了基于螺旋理论普遍适用的机构自由度分析方法，解决了现代和历史上大量矛盾的机构；(3)提出了机构主螺旋的解析识别方法并研究了机构运动螺旋节距及轴线的分布规律；(4)提出了性能与构件尺度关系的并联机构空间模型理论，可获得尺度在无穷大范围内变化的全局最优的设计结果；(5) 提出并建立了并联机构的运动影响系数理论，它奠定了整个并联机器人运动和动力分析的理论基础；(6)系统研究了并联机构奇异位形及其发生规律，发现了6/6型并联机构的主奇异位形，完整奇异轨迹及其结构特性，还研究了非奇异姿态空间；(7) 研究了并联机器人动力学的多方面问题。
整个研究的科学价值是形成了有学术特色的系统的'并联机器人机构学的现代分析与综合理论'。
该项目发表论文380篇，其中主要论文139篇，含国际杂志50篇，国际会议72篇。
专著5部。
获发明专利25项。
三大检索共收录240篇，其中SCI收录54篇，EI 149篇。
'十篇文献'他引379次。
（本项目全部他引总计877次：国际他引共313次，其中SCI他引181次，《中国科学引文库》他引564次）综合同行们的评价：评论者包括美国等12个国家的许多著名学者和教授。
他们一致肯定了我们的多方面研究，有的认为我们在某方面'取得了又一个重要的进展'、是'一个更加一般性的分析'、认为我们的研究使得'过去两年发生了值得注目的变化'；特别是Rico教授在美国机械工程学会的年会上发表的文章认为我们的研究是'最近的十到十五年，在并联机构的型综合中的5个重要的理论贡献'之一。
并联机构与并联机器人
并联机构与并联机器人的未来展望
拓展应用领域
随着技术的不断发展，并联机器 人有望在更多领域得到应用，如
医疗、航空、深海探测等。
创新性研究
未来将有更多学者和研究团队加入 到并联机器人领域的研究中，推动 该领域的技术创新和进步。
标准化和产业化
随着研究的深入和应用需求的增长， 并联机器人有望实现标准化和产业 化，推动其大规模应用和普及。
生。
并联机构的优化方法01020304
尺寸优化
根据任务需求和性能要求，调 整并联机构的尺寸参数，以达
到更好的性能。
运动学优化
通过调整并联机构的运动学参 数，优化其运动性能，提高执
行效率。
动力学优化
根据并联机构的动态特性，优 化其驱动力和运动轨迹，以实 现更稳定、更快速的运动。
结构优化
通过改进并联机构的结构设计 ，降低重量、减小体积，提高
并联机构与并联机器人
目 录
• 并联机构简介 • 并联机器人的基础知识 • 并联机构的设计与优化 • 并联机器人的控制技术 • 并联机构与并联机器人的研究进展
01 并联机构简介
并联机构的定义
并联机构的定义
并联机构是由至少两个相互独立的运 动链所组成，通过各分支链末端的球 面副或圆柱副相连接，并实现特定运 动规律的一种特殊机构。
并联机构的组成
并联机构通常由动平台、定平台和连 接这两者的运动支链组成。其中，运 动支链是指连接动平台和定平台的所 有运动副元素。
并联机构的特点
承载能力强
由于并联机构具有多个独立的运动链，其承载能力较强，能够承受较 大的负载。
刚度大
由于并联机构的运动支链数量多，其整体刚度较大，能够保证较高的 定位精度。
并联机器人原理
并联机器人原理1. 引言随着科技的不断发展，机器人在各个领域中的应用越来越广泛。
并联机器人作为机器人领域的一个重要分支，在工业自动化、医疗手术、航天等领域中发挥着重要作用。
本文将介绍并联机器人的原理、结构和应用，并从机构设计、运动学分析、动力学模型等方面进行深入探讨。
2. 并联机器人的定义和分类并联机器人是指由两个以上的机器人并联组成的机器人系统。
根据其结构和运动特点的不同，可以将并联机器人分为平台式并联机器人、串联式并联机器人和混联式并联机器人。
2.1 平台式并联机器人平台式并联机器人由一个移动平台和多个执行器组成，执行器通过机械连接装置连接到移动平台和工作台之间。
它具有高精度、高刚度和高灵活性的特点，在精密加工、装配和仿真等应用中得到广泛应用。
2.2 串联式并联机器人串联式并联机器人由多个运动杆件组成，杆件通过运动副连接在一起，形成一个连续链式结构。
串联式并联机器人通过杆件之间的相对运动实现工作台的运动，具有较大的工作空间和自由度，适用于需要较大工作范围和高精度运动的应用。
2.3 混联式并联机器人混联式并联机器人是平台式和串联式并联机器人的结合，既可以实现平台式并联机器人的高刚度和高精度，又能够实现串联式并联机器人的大工作空间和自由度。
混联式并联机器人在飞行器研究、空间站维修等领域具有广泛应用。
3. 并联机器人的机构设计并联机器人的机构设计是实现其运动特性的关键。
机构设计主要包括支撑结构、传动机构和执行机构。
3.1 支撑结构支撑结构是并联机器人的基础，负责支撑整个机器人系统的重量和载荷。
支撑结构应具有足够的刚度和稳定性，以保证机器人在工作过程中的精度和稳定性。
3.2 传动机构传动机构是实现并联机器人运动的关键组成部分，可以通过齿轮传动、皮带传动、链传动等方式实现。
传动机构应具有较高的传动精度和可靠性，以保证机器人的运动精度和稳定性。
3.3 执行机构执行机构是并联机器人的动力来源，可以是液压驱动、电动驱动或气动驱动等。
串联和并联机器人运动学与动力学分析
串联和并联机器人运动学与动力学分析串联和并联机器人是工业自动化领域中常见的机器人结构形式。
它们在不同的应用场合中有着各自的优势和适用性，因此对它们的运动学和动力学进行深入分析具有重要意义。
本文将从运动学和动力学两个方面对串联和并联机器人进行分析，并对它们的特点和应用进行了介绍。
一、串联机器人的运动学和动力学分析1. 串联机器人的运动学分析串联机器人是由多个运动副依次连接而成的，每个运动副只能提供一个自由度。
其运动学分析主要包括碰撞检测、正解和逆解三个方面。
（1）碰撞检测：串联机器人在进行路径规划时，需要考虑各个运动副之间的碰撞问题。
通过对关节位置和机构结构进行综合分析，可以有效避免机器人在工作过程中发生碰撞。
（2）正解：正解是指已知各关节的角度和长度，求解末端执行器的位姿和运动学参数。
常见的求解方法包括解析法和数值法。
解析法适用于关节均为旋转副或平动副的情况，而数值法则对于复杂的几何结构有较好的适应性。
（3）逆解：逆解是指已知末端执行器的位姿和运动学参数，求解各关节的角度和长度。
逆解问题通常较为困难，需要借助优化算法或数值方法进行求解。
2. 串联机器人的动力学分析串联机器人的动力学分析主要研究机器人工作时所受到的力、力矩和加速度等动力学特性，以及与机器人运动相关的惯性、摩擦和补偿等因素。
其目的是分析机器人的动态响应和控制系统的设计。
（1）力学模型：通过建立机器人的力学模型，可以描述机器人在工作过程中的动力学特性。
常用的建模方法包括拉格朗日方程法、牛顿欧拉法等。
（2）动力学参数辨识：通过实验或仿真，获取机器人动力学参数的数值，包括质量、惯性矩阵、摩擦矩阵等。
这些参数对于后续的控制系统设计和性能优化非常关键。
（3）动力学控制：基于建立的动力学模型和参数，设计合适的控制算法实现对机器人的动力学控制。
其中，常用的控制方法包括PD控制、模型预测控制等。
二、并联机器人的运动学和动力学分析1. 并联机器人的运动学分析并联机器人是由多个执行机构同时作用于末端执行器，具有较高的刚度和负载能力。
第11章-并联结构
邱
丽
芳
述
职
报
告
11.1概述 2. 高速、高加速操作手(manipulators) 主要利用该类机构的轻质、负载自重比大而导致的高速高加速度。 应用比较成功的这类机器人包括Delta机器人(图11-2)、H4机器人、 Tricept机械手、Ninja超冗余机械手等。
3. 超精密定位平台 并联机构与柔性铰链相结合可实现超高精度(微纳尺度)定位平台或操 作手的设计(图11-3)，甚至可以设计出微观尺度下的机械本体。
[10]
，可以看到，通过演化可以得到多种机构构型。
邱
丽
芳
述
职
Hale Waihona Puke 报告11.3 自由度计算与构型综合
我们知道，并联机构与普通机构一样，主要由：机架、主动副和运动链 (含运 动副 )三部分组成，不同之处在于并联机构中还存在着支链。因此，机构的自由度 及运动特性完全由这些因素来决定。由此，我们得到了演化 法 来发明新并联机构 的基本思路：以现有成功机构的原型为蓝本，利用各种不同的演化方 法 ： (1)改变 杆件的分布方式；(2)改变铰链型式，将其中一个球铰换成虎克铰 (由球铰连接的二 力杆中存在 1 个局部自由度 )；(3)改变支链中铰链的分布顺序；(4)在运动学等效的 前提下，拆解多自由度运动副为单自由度运动副或将单自由度运动副组合成多自 由度运动副； (5)上述几种演变方 法 的组合。
[6-7]
概念，将自由度等于、小于、大于机构阶数的机构分别称为满
阶机构、欠阶机构和过阶机构。因此，当并联机构的阶数为 6 时，满阶机构、欠 阶机构和过阶机构就分别对应着满自由度并联机构、少自由度并联机构和冗余自 由度机构。例如，3-RPS 机构的自由度为 3，但阶数为 6，故该机构为欠阶机构， 同时也是少自由度机构。而平面 3-RRR 并联机构和球面 3-RRR 并联机构都是 3 阶 3 自由度的满阶机构。
并联机器人
并联正文：1.简介本文档是一个并联的详细说明，包括的结构、工作原理、控制系统等方面的内容。
2.结构2.1 机械结构并联的结构由多个关节和连杆组成，其中关节连接主要的动力元件，连杆连接各个关节。
机械结构的设计需要考虑的运动范围、负载能力以及稳定性等因素。
2.2 末端执行器并联的末端执行器通常包括夹爪、工具等，用于完成特定的任务，如抓取、装配等。
3.控制系统并联的控制系统主要包括硬件和软件两个部分。
3.1 硬件硬件部分包括传感器、驱动器和控制器。
传感器用于对的姿态、位置等进行测量，驱动器用于驱动机械结构的关节，控制器则用于运行控制算法并实施控制策略。
3.2 软件软件部分包括运动规划、路径规划等算法的开发与实现。
通过软件控制，可以使在特定的工作空间内完成精确的运动任务。
4.工作原理并联通过控制系统的指令实现工作任务，其工作原理基于运动学和动力学原理。
的工作过程需要考虑运动学约束、静力学约束等因素。
4.1 运动学的运动学描述的位置和姿态之间的关系。
运动学约束主要包括正向运动学和逆向运动学。
4.2 动力学的动力学描述在外部力作用下的运动学特性。
动力学约束主要包括速度和加速度的限制。
5.应用领域并联广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗卫生等领域。
的高精度、高效率和精确性使其成为许多工业任务的理想选择。
附件：本文档涉及的附件包括相关设计图纸、算法代码等。
法律名词及注释：1.并联：由多个关节和连杆组成的结构，具有高度精确性和高效率的特点。
2.运动学：描述的位置和姿态之间的关系的科学。
3.动力学：描述在外部力作用下的运动学特性的科学。
并联机构及其应用
并联机构可以用于卫星姿态的调整， 实现卫星的快速、准确姿态控制。
医疗康复领域
手术机器人
并联机构可以用于手术机器人，实现微创手术的高精度操作。
康复设备
并联机构可以用于康复设备，帮助患者进行精准的康复训练。
军事装备领域
无人驾驶车辆
并联机构可以用于无人驾驶车辆，实现快速、准确的移动和定位。
稳定性好、可靠性高
并联机构具有较好的稳定性和可靠性， 适用于对稳定性要求较高的场合。
易于实现模块化和标准化
并联机构可以通过模块化的设计和标 准化的制造，实现快速组装和互换， 方便维修和替换。
并联机构的发展历程
起源
并联机构最早起源于机械加工领 域，用于实现高精度定位和加工。
应用拓展
随着技术的发展，并联机构逐渐拓 展到其他领域，如机器人、航空航 天、医疗器械等。
助中风或脊髓损伤患者进行康复训练。
军事装备案例
军事装备案例
并联机构在军事领域的应用主要涉及无人驾驶车辆、无人机和火炮等装备的设计和制造。 由于并联机构具有高精度和快速响应等特点，它们在执行军事任务时具有显著优势。
具体应用
无人驾驶车辆的导航和地形识别、无人机的飞行控制和火炮的快速瞄准等任务，都离不 开并联机构的精确控制。此外，并联机构还可以用于制造高精度的军事装备部件，如导
创新发展
近年来，随着新型材料、智能控制 等技术的不断发展，并联机构在结 构创新、驱动方式、控制算法等方 面取得了重要突破。
02
并联机构的类型与结构
按自由度分类
平面并联机构
具有2个自由度，通常用于平面运 动，如平面定位、加工和检测。
空间并联机构
具有3个或更多自由度，能够实现 空间运动，适用于复杂的三维操 作和制造。
机器人机构学【ch06】并联机器人机构拓扑结构特征与综合 培训教学课件
“
可分离活动度
当机构可以分割为两个或多个独立的运动子链，且每个子链的从动连杆相对于机架的
位姿只是该子链内主动输入的函数时，该机构具有可分离活动度。
”
活动度类型与控制解耦原理
活动度类型判定准则如下： 1)当F个主动副位于同一个BKC的诸支路中时，机构具有完全活动度。
2)当F个主动副位于不同BKC的支路中时，机构具有部分活动度。
第六章
并联机器人机构拓 扑结构特征与综合
工业和信息化部“十四五”规划教材
机器人机构学
01
并联机器人机构结构组成
并联机器人机构结构组成
并联机器人机构结构分解
如图6-1所示，任一基本回路数为v的并联机器人机构可视为由动平台、静平台以及两者之间并联的v+1 个单开链(SOC)支路组成。
并联机器人机构结构组成
本运动链(BKC)组成。
基本运动链判定准则
按照机构耦合度算法，机构被依次 分解为1个SLC和v-1个SOC。
“
基本运动链的重要性质 1)基本回路数为v且只由R副组成的BKC类型只存在有限种。
”
多回路机构耦合度
2)每一种BKC的运动学正解(包括复数解)数目NBKC是一不变量，v=1～3的平面BKC的NBKC如表6-2所示。 3)并联机器人机构的混合单开链(HSOC)支路中包含BKC，有利于实现并联机器人机构控制解耦。
并联机器人机构结构组成
并联机器人机构结构组成
混合单开链支路及其等效单开链：含有回路的开链称为混合单开链，如图6-2(a)所示。
并联机器人机构结构组成
更一般地，混合单开链可由并联机器人机构(单回路机器人机构可视为回路数为1的并联机器人机构)串 联若干运动副和连杆组成，如图6-3(a)、(b)所示。
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并联机构的逆解软件
机床尺寸 标准C程序
控制系统界面操作步骤
• 进入控制系统界面后，先进行文件管理操作，完成数控 文件录入；
• 然后进行回零操作，建立机床坐标系； • 接着进行文件操作，将第一步完成的数控程序装入； • 通过单步或连续运行，完成原定机床的运动。 • 完成运动后，进行回零操作，使机床回到初始位置。
2.2 运动学方程建立－正解方程
2.3 速度方程
2.3 速度方程
3. 并联机构终端的自由度数确定
3. 并联机构终端的自由度数确定
3. 并联机构终端的自由度数确定
M 3(8 9 1) 9 3
空间可重构并联机构搭建
实际装置RPKM(II)
实际装置RPKM(II)
实际装置RPKM(II)
并联机构的分析和搭建 ——基础理论
1. 并联机构的定义
定义：只要是多自由度，驱动器分配在不同环路上的闭 式多环机构均可称为并联机构（Parallel manipulator; Parallel mechanism; Stewart platform）。 特点： （1）多自由度, （2）闭式，多环机构
并联机构的基本分析方法
1. 一种六自由度并联机构
1.1 机构模型
B3 B4
Y
B2 B
B1 X
B5
B6
T3 T4
T5
y
T2
T1
T
x
T6
1.2 运动学方程建立
动静平台坐标表示
1.2 运动学方程建立－逆解方程
旋转矩阵（欧拉角表示方法）
根据旋转变换，动平台坐标系中动平台各铰链位置矢量在基础坐标系中表示为 运动平台上各铰接点在基础坐标系中坐标为： 支链矢量表示为： 运动学逆解：
3. 基于并联机构的并联机床特点
与传统结构机床相比，并联机床具有如下特点：
1. 运动部件质量小，动态响应高，易于实现高的速度和加速 度特性；
2. 制造成本低，整机部件数目少，标准化程度高，具有硬件 简单，软件复杂的特点；
3. 功能多元化，可以实现切削、测量、装配等多种功能； 4. 具有很强的环境适应能力，容易实现模块化设计； 5. 实现多自由度运动能力强，适合加工复杂曲面零件； 6. 构型多样性，可以针对不同的零件族采用不同的构型； 7. 由于面世的时间较短，尚存许多未解决的关键技术问题。
2. 并联机构的特点
表1 并联操作机与串联操作机性能的比较
比较项目
并联操作机
串联操作机
作业空间 运动学正解 运动学逆解 静力学正解 静力学逆解
位置误差 力误差 最大力
刚度 动力学分析
惯性
小 困难 容易 容易 困难 平均中和 积累 所有动力总和 大 非常复杂 小
大 容易 困难 困难 容易 积累 平均中和 受最小动力限制 小 复杂 大
控制系统（RVACS）操作规程
控制系统操作步骤
• 启动计算机，选择RTLinux2.4.18进行引导； • 打开控制柜空气开关，按下面板上的伺服上电，控制柜正常
上电，上电指示灯亮起； • 登陆root用户，密码qwer1234； • 输入cd /home/rvacs进入数控程序文件夹； • 输入./start启动PMAC运动控制卡，计算机显示Find pmac!，
找到PMAC控制卡，显示PMAC on line!，PMAC已正常工 作，如显示No Pmac found!则不能继续下述操作； • 进入Plan目录下，录入完成的逆解程序，并完成程序编译； • 输入./rvacs进入数控程序界面； • 按下控制面板伺服使能，使能电机； • 数控程序退出后，输入./stop关闭PMAC控制卡，退出实时 程序。
1.3 速度方程
对运动学逆解关于时间求导数，可得： 其中：
1.4 奇异性及灵活度分析
判定条件：
分类：边界奇异、位形奇异和模型奇异
1.5 作业空间分析－数值法
2. 一种平面三自由度并联机构
2.1 机构模型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 运动学方程建立
2.2 运动学方程建立－逆解方程
2.2 运动学方程建立－正解方程