并联机构与并联机器人
机器人学-并联机构与并联机器人
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视频：饼干抓取
视频：试管分拣
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2.2 虚拟轴机床简介(1990s)
• 虚拟轴机床又称并联机床（Parallel Kinematics Machine Tools ）,实质上是机器人技术和机床 技术相结合的产物 。
• 与传统机床比较： 优点：比刚度高（弹性模量与其密度的比值，比
• 其中2、3自由度并联机构中存在平面机构这一特殊情况，研究难度降低很多， 较多地被人们研究和使用。
• 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多 的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。 但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、 动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。
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• 为了满足越来越复杂的工作需求，研究和使用多自由度 （3~6）的空间机构显示出一定的必要性。
• 近年来, 国内外机构型研究主要集中在多自由度多支链并 联机器人构型问题上。并联机构的结构属于空间多环多自 由度机构。并联机构的构型综合是一个极具挑战性的难题。 到目前为止, 国内外主要有四种并联机构的型综合研究方 法, 即基于螺旋理论的给定末端运动约束的型综合法、基 于李代数的型综合法、基于给定末端运动的型综合法和列 举型综合法。
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• 从前面对delta系统分析的过程中我们已经 对并联机构的复杂性有所了解，而这种复 杂性正潜藏了一些未知的优越性，所以并 联机构和并联机器人的开发必将对机器人 事业的发展提供强大助力。
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
解读并联机器人机构研究
解读并联机器人机构研究摘要：并联机构是由两条以上的支链连接动平台和定平台组成，机构的多链和多环的特点导致机构输入输出之间的耦合性，虽然耦合性使机构提高了刚度和承载能力，但耦合性给并联机构的应用也带来了局限性。
目前，在机器人产业快速发展的今天，机器人已应用于各个领域包括工业生产、海空探索、康复和军事领域。
完全解耦并联机构具体适用于医疗卫生事业的微操作机器人，也可用于喷涂、显微注射等领域。
对于微操作机器人的研发设计来说，良好的机构设计是机器人性能优良的保证，同时合理的机构设计对于控制系统来说也是至关重要的。
关键词：并联；机器人；机构1引言并联机器人机构学是近20年来国际机构学的研究热点和学科前沿，也是我国学者在国际上具有重要学术影响的研究领域之一。
并联机器人是继串联操作臂和并联平台之后出现的一种新型并联机器人机构，由于采用柔索代替连杆作为并联机构的牵引元件，因此柔索并联机器人具有结构简单、工作空间大、易拆装、可重组、模块化程度高、负载能力强、运动速度快以及价格低廉等特点。
2 少自由度并联机器人机构少自由度并联机器人机构的研究已成为了国际上机器人学研究热点之一.由于在很多工业实际应用中,如机床制造业、激光对准、卫星天线的信号追踪,零件的搬运安装、数控机床换刀、光碟安放等等场合,要求并联机器人机构只具有2～5个自由度就能够满足实际需要.如果采用6自由度的并联机器人机构,会因铰约束、支链干涉、奇异位形等的影响,使其实现姿态的能力随着其位置空间的增加而缩减,还会增加机器人结构和控制方面的复杂程度.而少自由度并联机器人机构具有结构简单、工作空间较大、控制方便等优点,具有良好的应用前景.少自由度并联机构结构综合的步骤是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.构造与配置并联机构的支链结构.这是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.3 自由度无耦合空间移动并联机器人机构强运动学耦合性是一般并联机器人机构的共同特性，虽然其可以提高机构的结构刚度和承载能力，但也带来了机构运动学求解难度大、控制系统设计复杂等难题，这在一定程度上阻碍了并联机器人机构的推广及应用。
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。
并联机器人控制
数据融合
将多个传感器的数据进行融合，以获得更准 确的环境感知信息。
数据传输
将处理后的数据传输到控制系统中，以实现 实时的机器人控制。
感知系统在控制中的应用
01
路径规划
根据传感器获取的环境信息，规 划机器人的安全、高效的运动路
径。
03
障碍物规避
通过传感器检测到的障碍物信息 ，实现机器人的自主避障功能。
算法库
选择或开发适合机器人控制的 算法库，如PID控制、模糊控制
等。
运动学与动力学建模
运动学建模
建立机器人的运动学模型，描述机器人 末端执行器的位置和姿态与关节角度之 间的关系。
VS
动力学建模
建立机器人的动力学模型，描述机器人末 端执行器的力和关节驱动力之间的关系。
控制策略与算法
控制策略
根据机器人的应用需求，选择合适的控制策略，如轨迹规划、力控制等。
02
运动控制
根据传感器检测到的机器人运动 状态和环境信息，实时调整机器 人的运动参数，实现精确控制。
04
任务执行
根据传感器获取的任务目标信息 ，实现机器人的自主抓取、搬运
等作业任务。
05 并联机器人编程与调试
编程语言与开发环境
编程语言
Python、C、Java等高级编程语言以及Assembly、PLC等低 级编程语言。
安全与可靠性问题
安全防护
加强并联机器人的安全防护措施，防止未经授权的访问和恶意攻 击。
可靠性设计
通过优化设计、材料选择和制造工艺，提高并联机器人的可靠性 和稳定性。
故障诊断与恢复
建立故障诊断和恢复机制，确保并联机器人在出现故障时能够快 速恢复正常运行。
机器人串并联结构关系转换
机器人串并联结构关系转换1.引言1.1 概述机器人是一种能够自动执行任务的机械装置，它们在各个领域发挥着越来越重要的作用。
机器人的结构可以分为串联结构和并联结构两大类。
串联结构是指机器人的各个部件按照一定的顺序依次排列连接，形成一个直线的结构。
这种结构的特点是每个部件的运动都会影响到整个系统的运动。
串联结构通常用于需要较高精度和复杂运动轨迹的任务，如精密装配和手术手术等。
然而，串联结构也存在着一些缺点，如稳定性差、自由度受限以及对运动速度和负载的敏感性。
与之相对应的是并联结构，这种结构是由多个部件同时连接到一个共同的基座上，形成一个平行的结构。
并联结构具有较高的刚度和稳定性，能够承受较大的负载和惯性力。
它适用于高速运动、重负载和弯曲运动等应用场景，如航空航天领域和工业生产线等。
然而，并联结构也有一些不足之处，如较高的成本、较大的体积和复杂的控制系统。
为了满足不同任务对机器人结构的需求，机器人串并联结构的关系转换成为研究的焦点之一。
通过改变连接方式和参数设置，可以实现串联结构向并联结构的转换，或者反过来。
这种关系转换可以使机器人在不同场景下发挥更好的性能和适应性。
本文将探讨串并联结构的定义和特点，剖析串并联结构的关系转换方法，并讨论其在应用领域和未来发展中的前景。
了解和研究机器人串并联结构的关系转换将有助于我们更好地设计和应用机器人，在不同领域中实现更高效、更灵活的操作。
1.2 文章结构文章结构是指整篇文章的组织和布局方式，它可以帮助读者更好地理解和阅读文章。
本文主要围绕机器人串并联结构关系转换展开讨论，下面将详细介绍文章结构的安排。
首先，在引言部分，我们会简要介绍本文的主题和目的。
引言的第一部分是概述，将对机器人串并联结构关系转换进行概括性描述，让读者了解这一主题的背景和重要性。
接着，我们会介绍文章的结构，即本文将按照串并联结构的定义和特点、关系转换方法以及应用领域和未来发展进行探讨。
最后，明确本文的目的，即通过研究机器人串并联结构关系转换，来推动相关领域的发展与创新。
并联机构与并联机器人[优质ppt]
• 针对空间机构自由度计算公式，国内外研究人员做了大量研究也得出 了大量的（至少35个）公式，其中大多都是适用条件限制或者若干 “注意事项”（如需要甑别公共约束、虚约束、环数、链数、局部自 由度等等）。
• 马娄谢夫（前苏联）空间机构计算式
• 作者称此公式适用范围最宽且计算过程简单，但事实上公 式中λ包含有5种多余自由度，甑别和计算过程并不简单。
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刚度较高说明相同刚度下材料重量更轻）、响 应速度快及运动精度高。 缺点：运动空间小、空间可转角度（灵活性）小、
开放性差。
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传统机床与虚拟轴机床外观差异
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视频：虚拟轴机床一
视频：虚拟轴机床二
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3、delta并联机器人详解
Delta：3个主动臂P5,12个球铰P3
W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3
2019/8/20 应注意机构中六根碳纤维杆保留6个绕自身轴线旋转的局部自由度
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• Kutzbach Grubler公式计算获得
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• 国内北华大学欧阳富等人发表了一系列文章，并于2003年 提出一个可以替代此前34个计算公式的公式：
（5）工作空间较小；
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2、并联机构应用实例
2.1 delta机器人
• 第一代delta（1985） • Delta机器人就像一个倒
挂的有三个脚的蜘蛛， 因其的灵巧、速度和精 确在装配、自动化和医 疗设备领域得到应用， 被誉为“最成功的并联 机器人设计”，并于 1990年前后在世界各国 申请专利。
并联机构及机器人
并联机构及机器人并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。
特点是所有分支机构可以同时接受驱动器输入，然后共同决定输出。
1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置（图1）；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆（图2）；之后，Gough 在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置（图3）；三年后，Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart 机构。
并联机构的特点：（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；（2）承载能力大;（3）微动精度高;（4）运动负荷小;（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。
从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。
另可按并联机构的自由度数分类：（1 ）2 自由度并联机构。
（2 ）3 自由度并联机构。
（3 ）4 自由度并联机构。
（4 ）5 自由度并联机构。
（5 ）6 自由度并联机构。
2自由度并联机构，如5-R，3-R-2-P（R表示旋转，P表示平移）。
平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个平移自由度。
3自由度并联机构种类较多，形式复杂，一般有以下形式，平面3自由度并联机构，如3-RRP机构、3-RPR机构、它们具有2个旋转自由度和1个平移自由度；3维纯平移机构，如Star Like并联机构、Tsai并联机构，空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构、属于欠秩机构。
并联机构与并联机器人
1931年Gwinnett的娱乐装置 （5D电影）
1965年Stewart机构
•
1985法国克拉维尔（Clavel）教授 设计出delta并联机构(或称为delta 机器人)
按自由度分类
• • • • •
•
（1 ）2 自由度并联机构。 （2 ）3 自由度并联机构。 （3 ）4 自由度并联机构。 （4 ）5 自由度并联机构。 （5 ）6 自由度并联机构。（如Stewart机构、双Delta嵌套机构）
• 在Delta原型基础上，研究人员做了很多衍 生机型。
FANUC六轴机器人
• 三轴铰接式手腕（专利 产品）+delta机器人 • 优点：1、末端增加3个 旋转自由度，可以适用 更复杂工况 • 2、速度更快每秒2000度 的速度拾取、旋转和放 置物体 • 缺点：有效负载降低。 第一代最大负载0.5kg， 目前最大载荷可达6kg。
• 并联机器人组成：一个固定基座、一 个具有n自由度的末端执行器以及不 少于两条独立的运动链。 • 并联机器人特点： （1）无累积误差，精度较高； （2）驱动装置可置于定平台上或接近定 平台的位置，这样运动部分重量轻， 速度高，动态响应好； （3）结构紧凑，刚度高，承载能力大； （4）完全对称的并联机构具有较好的各 向同性； （5）工作空间较小；
其中2、3自由度并联机构中存在平面机构这一特殊情况，研究难度降低很多， 较多地被人们研究和使用。 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多 的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。 但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、 动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。
•
• 为了满足越来越复杂的工作需求，研究和使用多自由度 （3~6）的空间机构显示出一定的必要性。 • 近年来, 国内外机构型研究主要集中在多自由度多支链并 联机器人构型问题上。并联机构的结构属于空间多环多自 由度机构。并联机构的构型综合是一个极具挑战性的难题。 到目前为止, 国内外主要有四种并联机构的型综合研究方 法, 即基于螺旋理论的给定末端运动约束的型综合法、基 于李代数的型综合法、基于给定末端运动的型综合法和列 举型综合法。
并联机构与并联机器人
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• 为了满足越来越复杂的工作需求，研究和使用多自由度 （3~6）的空间机构显示出一定的必要性。
• 近年来, 国内外机构型研究主要集中在多自由度多支链并 联机器人构型问题上。并联机构的结构属于空间多环多自 由度机构。并联机构的构型综合是一个极具挑战性的难题 。到目前为止, 国内外主要有四种并联机构的型综合研究 方法, 即基于螺旋理论的给定末端运动约束的型综合法、 基于李代数的型综合法、基于给定末端运动的型综合法和 列举型综合法。
• 其中2、3自由度并联机构中存在平面机构这一特殊情况，研究难度降低很多， 较多地被人们研究和使用。
• 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多 的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域 。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正 解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。
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视频：饼干抓取
视频：试管分拣
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2.2 虚拟轴机床简介(1990s)
• 虚拟轴机床又称并联机床（Parallel Kinematics Machine Tools ）,实质上是机器人技术和机床 技术相结合的产物 。
• 与传统机床比较： 优点：比刚度高（弹性模量与其密度的比值，比
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• 并联机器人组成：一个固定基座、一 个具有n自由度的末端执行器以及不 少于两条独立的运动链。
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• 2、速度更快每秒2000 度的速度拾取、旋转和 放置物体
• 缺点：有效负载降低。 第一代最大负载0.5kg， 目前最大载荷可达6kg。
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CHENLI
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瑞士工业公司，将转动副 驱动改为移动付驱动
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CHENLI
CHENLI
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1 并联机构简介
• 并联机构的出现可以回溯至20世纪30年代。1931年，格威内特 （Gwinnett）在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置。 在之后的几十年内，新的并联机构不断被提出并应用于汽车喷涂、轮 胎检测、飞行模拟器等工业领域。其中由Gough于1962年发明，并被 Stewart系统研究的Gough-Stewart机构（或称Stewart机构）运用最 广，至今仍然被广泛研究和使用。
（4）完全对称的并联机构具有较好的 各向同性；
（5）工作空间较小；
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CHENLI
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2、并联机构应用实例
2.1 delta机器人
• 第一代delta（1985） • Delta机器人就像一个倒
挂的有三个脚的蜘蛛， 因其的灵巧、速度和精 确在装配、自动化和医 疗设备领域得到应用， 被誉为“最成功的并联 机器人设计”，并于 1990年前后在世界各国 申请专利。
2021此/3/7个人倾向于用原机构简图分析CHENLI
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平面机构自由度计算公式： F=3n-2pl-ph 式中 n为活动杆件数（不算机架）
pl为平面低副数（即只有一个自由度的运动副） ph为平面高副数
• 针对空间机构自由度计算公式，国内外研究人员做了大量研究也得出 了大量的（至少35个）公式，其中大多都是适用条件限制或者若干 “注意事项”（如需要甑别公共约束、虚约束、环数、链数、局部自 由度等等）。
• 马娄谢夫（前苏联）空间机构计算式
Delta：3个主动臂P5,12个球铰P3
W=6（11-1）-5*3-3*12-6=3
应注意机构中六根碳纤维杆保留6个绕自身轴线旋转的局部自由度
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• Kutzbach Grubler公式计算获得
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• 与传统机床比较： 优点：比刚度高（弹性模量与其密度的比值，比
刚度较高说明相同刚度下材料重量更轻）、响 应速度快及运动精度高。 缺点：运动空间小、空间可转角度（灵活性）小、
开放性差。
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传统机床与虚拟轴机床外观差异
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工业应用
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视频：饼干抓取
视频：试管分拣
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2.2 虚拟轴机床简介(1990s)
• 虚拟轴机床又称并联机床（Parallel Kinematics Machine Tools ）,实质上是机器人技术和机床 技术相结合的产物 。
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• 并联机器人组成：一个固定基座、一 个具有n自由度的末端执行器以及不 少于两条独立的运动链。
• 并联机器人特点：
（1）无累积误差，精度较高；
（2）驱动装置可置于定平台上或接近 定平台的位置，这样运动部分重量轻 ，速度高，动态响应好；
（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大 ；
• 其中2、3自由度并联机构中存在平面机构这一特殊情况，研究难度降低很多， 较多地被人们研究和使用。
• 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多 的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域 。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正 解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。
并联机构与并联机器人
——仿生机器人学课程专题报告
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CHENLI
姓名：@@ 班级：13级机硕1班 学号：2111301003
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内容安排：
1、并联机构简介
2、并联机构应用实例
3.1、delta机器人 3.2、虚拟轴机床
3、delta并联机器人详解
4、 关于并联机器人的思索
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视频：虚拟轴机床一
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视频：虚拟轴机床二
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3、delta并联机器人详解
• 3.1 自由度计算
• 机构见图的化简有利于运动学的分析，但有文章在计算自由度的时候
也直接按化简后的简图计算，个人认为欠妥。因为把平台化简为点的
过程其实忽略了其姿态信息，而姿态的变化也属于自由度的范畴，因
•
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• 由于专利保护的限制，delta机器人早期并没有得 到应有的推广，直到近年专利保护一一终止后， 才开始被世界各地的制造商争相生产和开发。
• 在Delta原型基础上，研究人员做了很多衍生机型。
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FANUC六轴机器人
• 三轴铰接式手腕（专利 产品）+delta机器人
2021/3/17931年Gwinnett的娱乐装置 （5CDH电EN影LI ）
1965年Stewart机构 3
• 1985法国克拉维尔（Clavel）教 授设计出delta并联机构(或称为 delta机器人)
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CHENLI
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按自由度分类
• （1 ）2 自由度并联机构。 • （2 ）3 自由度并联机构。 • （3 ）4 自由度并联机构。 • （4 ）5 自由度并联机构。 • （5 ）6 自由度并联机构。（如Stewart机构、双Delta嵌套机构）
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CHENLI
52Βιβλιοθήκη 21/3/7CHENLI6
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CHENLI
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• 为了满足越来越复杂的工作需求，研究和使用多自由度 （3~6）的空间机构显示出一定的必要性。
• 近年来, 国内外机构型研究主要集中在多自由度多支链并 联机器人构型问题上。并联机构的结构属于空间多环多自 由度机构。并联机构的构型综合是一个极具挑战性的难题 。到目前为止, 国内外主要有四种并联机构的型综合研究 方法, 即基于螺旋理论的给定末端运动约束的型综合法、 基于李代数的型综合法、基于给定末端运动的型综合法和 列举型综合法。