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。

4自由度并联机构大
多不是完全的并联机构，如2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与顶平台相连，有2个运动链是相同的，各具有一个虎克铰U，1个平移副P，其中P和1个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

现有的5自由度并联机构结构复杂，如韩国的Lee的5自由度并联机构具有双层结构。

6自由度并联机构。

该类并联机器人是国内外学者研究的最多的并联机构，一般情况下，该类机构具有6个运动链。

随着6自由度并联机构研究的深入，现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的6自由度并联机构，如3-PRPS和3-UPS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

并联机构作为一类机器人机构,具有精度高、刚度大、速度快和承载能力强等优点。

6自由度Stewart型并联机器人已经进行了相当充分的研究,并在工程实际中得到了广泛应用。

少自由度并联机器人由于结构简单、控制简便、造价低并能够满足许多少于6自由度应用场合的要求。

现今社会一大热点就是三自由度和四自由度。

三自由度的并联机构是随着机器人技术发展而发展起来的，三平移是三自由度并联机构中的一种典型机型，由于各杆的转动最终可转化为移动副的平动，在多维减振领域。

可得到广泛的应用。

三平移并联机构存在多种机型形式，如3一P1Tr、3.PUU 、3一HSS、3一PSS、3-RSR等。

在我国，吴光中等人对3一Puu并联机构进行了运动学分析，并分析了该机型的工作空间、尺寸型模型及性能图谱；许意华等人对3．PTT并联微操作机器人进行了误差分析，但没有建立运动学和动力学模型；杨志勇等人采用虚功原理方法对3-HSS并联机床建立了动力学模型；李剑锋等人分析了3-RSR机型运动轨迹，并采用牛顿一欧拉法建立了动力学模型。

四自由度并联机构用于虚拟轴工作台本体机构。

该机构由2条UPS支链和两条5R支链组成，每条支链上有1个驱动副。

这种新型并联机构能满足虚拟轴工作台的多维自由度要求，可以实现加工零件的定位定向及空间4维图形加工。

并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。

随着并联机器人研究的不断深入，其应用领域也越来越广阔。

并联机器人和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：
（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。

并联机器人的应用大体分为六大类。

运动模拟器、并联机床、工业机器人、微动机构、医用机器人和操作器。

我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。

1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。

1987年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。

目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。

最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。

主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993年研制的喷涂机器人，1995年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。

我国目前拥有机器人4000台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。

在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。

在现实中，运动模拟器，模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接的模拟中。

在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。

运动模拟器还有很大的突破。

1.运动模拟器。

应用最广泛的是飞行模拟器。

训练用飞行模拟器具有节能、经济、安全、不受场地和气象条件限制、训练周期短、训练效率高等突出优点，目前已成为各类飞行员训练的必备工具。

同时，这种运动模拟器也是研究和开发各种运载设备的重要工具。

通过模拟器可以在早期发现问题、减少风险、进行综合系统验证，解决各系统间的动态匹配关系、加速系统实验过程，缩短研制周期，降低开发费用。

2.并联机床。

用作并联机床是并联机构最具吸引力的应用。

并联机床结构简单，传动链短，刚度大、质量轻、成本低，容易实现“6轴联动”，能加工更加复杂的三维曲面。

还具有环境适应性强的特点，便于重组和模块化设计，可构成形式多样的布局和自由度组合。

3.工业机器人。

随着工业现代化发展的高速进程，以及加工业工艺的不断完善，技术的不断进步，工业机器人的应用被越来越多的企业认识和接受。

工业机器人既保证了产品质量，
又减少了特殊环境工作的危险和实现对人员的劳动强度的降低和人员劳动保护意识的提高。

4.微动机构。

微动机构是并联机器人的重要应用。

微动机构发挥了并联机构的特点，工作空间不大，但精度和分辨率非常高。

5.医用机器人。

医疗机器人已经成为医学外科学会和机器人学会共同关注的新技术领域。

医疗机器人具有选位准确、动作精细、避免病人传染等特点。

近年来，医疗机器人引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注。

6.操作器。

并联机器人可以用作飞船和空间对接器的对接机构，上下平台中间都有通孔作为对接后的通道，上下平台作为对接环，由6个直线驱动器以帮助飞船对正，对接机构还能完成吸收能量和减振，以及主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。

对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可以采用这种强力的并联机构。

由于并联机器人能够解决串联机器人应用中存在的问题，因而，并联机器人扩大了整个机器人的应用领域。

由并联机器人研究发展起来的空间多自由度多环并联机构学理论，对机器人协调、多指多关节高灵活手抓等构成的并联多环机构学问题，都具有十分重要的指导意义。

因此，并联机构已经成为机构学研究领域的热点之一。

目前，国内外关于并联机器人的研究主要集中于运动学、动力学和控制策略三大方向。

并联机器人在今后还有很长的路要走，在一些技术层面上，我国的水平还不能与一些科研大国相类比，对于并联机器人的研究与发展，我们需要在吸取前人的经验教训，总结他们已经取得的成效，来为今后的路坐铺垫。