并联机器人综述

并联机器人综述第1页共23页并联机器人综述引言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,对其分类和应用做了简要分析和概括，并对其在运动学、动力学、机构性能分析等方面的主要研究成果、进展以及尚未解决的问题进行了阐述。第一章并联机构的发展概况1.1并联机构的特点并联机构是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接,必备的要素如下:①末端执行器必须具有运动自由度;②这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;③每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。其主要优点如下：（1）刚度质量比大。因采用并联闭环杆系,杆系理论上只承受拉、压载荷,是典型的二力杆,并且多杆受力，使得传动机构具有很高的承载强度。（2）动态性能优越。运动部件质量轻，惯性低,可有效改善伺服控制器的动态性能,使动平台获得很高的进给速度与加速度,适于高速数控作业。（3）运动精度高。这是与传统串联机构相比而言的,传统串联机构的加工误差是各个关节的误差积累,而并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补，因此，并联机构是未来机床的发展方向。（4）多功能灵活性强。可构成形式多样的布局和自由度组合,在动平台上安装刀具进行多坐标铣、磨、钻、特种曲面加工等，也可安装夹具进行复杂的空间装配，适应性强，是柔性化的理想机构。（5）使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，由于结构的原因，它的运动空间较小，而串并联机构则弥补了并联机构的不足，它既有质量轻，刚度大，精度高的特点，又增大了机构的工作空间，因此具有很好的应用前景，尤其是少自由度串并联机构，适应能力强，且易于控制，是当前应用研究中的一个新热点。1.2并联机器人的研究现状.并联机构的最早应用可以追溯到1938年，Polladr提出采用并联机构作为汽车喷漆装置。Gough在1948年提出用一种关节连接的机器来检测轮胎(见图并联机器人综述第2页共23页l-1)，而直到1962年才出现相关的文字报道。真正引起机构领域研究人员注意的是1965年，Setwart在他的一篇文章提出了一种6自由度的并联机构，并建议可以将该机构用于飞行器(见图1-2)、受人类控制的宇宙飞船，还可以作为新型机床的设计基础。J.Tindale建议将该形式的机构用于矿山开采机构和海上钻井平台(见图1-3)。1978年，澳大利亚著名机构学家Hunt提出可以应用6自由度的Stweart平台机构作为机器人机构(见图1-4)。Stweart平台机构最初起源于Gough的法国汽车轮胎试验装置，在1965年由Stewart将其用于飞行模拟器后得名。1979年Mccallino等人首次设计出了在小型计算机控制下，在精密装中完成校准任务的并联机器人，从而真正拉开了并联机器人研究的序幕，越来越多的学者投入到研究之中。到80年代中期，国际上研究并联机器人的人还廖寥无几，出的成果也不多，到S0年代末期特别是90年代以来，并联机器人才广为注意，并成为了新的热点，许多大型会议都设多个专题进行讨论，国际上名的学者有Warldron，Roth，Gosselin，Fenton，Merlet，AngeleS等。图l-1Gough的轮胎检测装置图1-2Stewart飞行模拟器图1-3海上钻井平台图l-4Hunt机器人操作手1.3并联机构的分类与发展在并联机器人机构体系中，有着多种机构种类划分方法。按照自由度划分，有2个自由度，3个自由度，4个自由度，5个自由度和6个自由度并联机构。并联机器人综述第3页共23页其中2到5个自由度机构被称为少自由度机构。按照机器人机构结构划分，可分为平面结构机器人，球面结构机器人和空间结构机器人。其中空间6自由度并联机器人和平面、球面3自由度并联机器人机构很早引起国际学者关注，无论是理论研究，还是应用研究都比较深入。由于实际应用需要不同的自由度机构，而且有些场合只需要部分自由度，如2，3，4或5个自由度就可以满足要求，因此，少自由度并联机构也成为国内外学者的关注热点。少自由度并联机构除了具有明显的经济性外，其结构简单，易于控制，因此对少自由度机构的研究也具有很大的理论和实际价值。少自由度并联机构型综合的先驱者应为澳大利亚机构学著名教授Hunt，他在1983年给出了一张并联机构的机型列表，列举了平面并联机构、空间三自由度3-RPS并联机构，一些六自由度并联机构以及非对称的四、五自由度并联机构。但对于四、五自由度对称并联机构，Hunt的机型表中均为空白。在此之后，Hunt提出的这些并联机构得到了详细地研究，其他学者也提出了一些新机型。1.3.1二自由度并联机构在并联机构领域，自由度最少的是2自由度并联机构，是并联机构的重要组成部分，分为平面结构和球面结构两大类，主要适用于平面或球面定位，有着很大的应用领域。（1）球面二自由度并联机构的研究现状球面机器人是机器人三大分支之一，在机器人机构应用中具有不可取代的作用。球面机器人机构是各种转动轴线相交于一点的空间结构，由于制造相对简单经济，结构紧凑，特别适用于空间姿态变化的地方，因而球面机构在工业上得到了比较广泛的应用，如广泛使用的万向节就是最典型的球面四杆机构，大多数使用的机器人的手腕就是一个球面3杆开链机构。作为球面上点的定位设备的球面5R并联机构，除了3自由度球面并联机构外，还有2自由度的球面5R并联机构。球面2自由度并联机器人的研究刚刚开始。球面2自由度SR对称并联机构，由5个转动副首尾相连，5个转动副的轴线汇交于一点(转动中心)，这种机构的输出参考点具有沿球面移动的2个自由度。这种机构也有一些实际用途，近些年也吸引了许多学者的关注。图1-5万向节并联机器人综述第4页共23页图1-62自由度的球面5R并联机构（2）平面二自由度并联机构的研究现状平面二自由度并联机器人指能够实现平面2个移动自由度的机器人，其在并联领域，自由度最少，主要应用于在空间内定位平面内点，能实现平面上任意轨迹，能够实现平面2个移动自由度运动的并联机构有多种形式，其中平面5R对称并联机器人机构是该种并联机构的典型代表，它有5根杆组成，通过5个转动副首尾相连，其中2个杆连接到驱动平台，这种对称形式的平面5R机构吸引了国内外许多研究者的关注，相继研究了位置分析、设计空间、工作空间、组装模式、奇异位形、性能图谱、运动学设计及动态平衡等。研究结果表明，平面二自由度5R并联机器人的理论空间可以设计很大，但内部存在较多的奇异，由于奇异的存在，奇异曲线将理论上工作空间划分为不同的子区域，这样真正实用的工作空间即是其中的一个子区域，实用面积不会很大，而且该种并联机构仅有两个分支，其承载能力和刚度都是有限的，所有这些会给这种机器人的应用带来一定的局限性。冗余驱动可以改善甚至消除工作空间中的奇异位形，解决奇异点导致的运动精度降低、刚度减小和驱动关节无法实施控制等问题，同时还可以实现力传递的均匀化和对称化，并具备优化驱动力/力矩，提高驱动系统可靠性等优点。但由于冗余驱动力/力矩的存在，使得逆动力学方程不存在惟一解，这增大了并联机构控制的难度，但也提供了输入控制优化的可能。力矩向量最小范数控制是冗余驱动中的一种优化控制方法。该方法能将驱动力矩都转化为末端执行器的输出力而达到消除内力的目的。因此，有学者提出通过增加一个串联分支同时增加一个驱动，构建了平面二自由度驱动冗余并联机器人，这种驱动冗余并联机器人的特点在于能克服瞬时自运动奇异而改善机构的灵巧性，同时减小了原非驱动冗余机构的理论可达工作空间。由于驱动冗余可以改善机器人力传递的一致性，既减小了工作空间内的奇异，同时增加了机器人的承载力和刚度，能够有效完成非冗余并联机器人的工作任务，所以，平面二自由度驱动冗余并联机器人可以完成平面上点的定位，实现平面任意轨迹。并联机器人综述第5页共23页图1-7平面二自由度驱动冗余并联机器人天津大学拥有独立知识产权的二自由度并联机构Diamond机器人目前已规模化应用在电子、医药、食品等工业领域中，为包装、移载等物流环节提供了高效、高质的保障。图1-8Diamond机器人1.3.2三自由度并联机构(1)三自由度移动并联机构发展现状Clavel在1988年提出了分支中含有球面四杆机构的DELTA并联机器人(图1-9)，被视为三自由度移动并联机构的一个里程碑，该机构包含12个球副，9个转动副和17个构件，由于驱动电机置于定平台上和轻质连杆的使用，DELTA机构可以获得高达12g的加速度，非常适于完成小质量物体的拿放操作;Herve在1991年综合出多种由四自由度分支构成的对称三维移动机构，如3-RRC(图1-10)等;Tsai在1996年用平面四杆机构代替DELTA机构中的球面四杆机构，得到一种结构比DELTA机构简单的三维移动机构(图1-11)；同年，Tsai提出了并联机器人综述第6页共23页3-UPU三维移动机构(图1-12);1997年，黄真等提出了3-RRRH三维移动并联机构;2000年，Di.Gregorio提出了3-RUU三维移动并联机构。Kong和Gosselin在2002年提出立方体的3-CRR并联机构(图1-13)。Carricato和Parenti-Castelli在2002年综合出了多种具有各向同姓的三维移动机构。有模型视频图1-9Delta三自由度并联机构图1-103-RRC移动并联机构图图1-11Tsai的移动并联机构图1-12UPU移动并联机构图1-133-CRR三自由度并联机构（2）三自由度转动并联机构并联机器人综述第7页共23页三自由度转动并联机构可分为两类，一类以Cox在1981年提出了3-3R三自由度球面并联机构为代表，这种机构的结构特性为所有转动副的轴线交于一点，其动平台可以实现绕该交点的自由转动。这种机构可用作机器人的腰、肩、髓、腕等关节，还可用于卫星天线和摄像定位装置，因此具有重要应用价值。图1-14Asada的球面并联机构图1-15灵巧眼各国学者还提出了很多该机构的很多变型，如Asada在1985年提出了一种公轴线驱动的三自由度球面并联机构(图1-14);Gosselin等系统地研究了角台型球面并联机构，并在1994年研制成功称为“灵巧眼”的摄像机自动定位装置(图1-15);之后，Gosselin又提出了驱动电机轴线共面的球面并联机构(图l-16)。Karouia和Herve在2000年提出了3-UPU转动并联机构。DiGregorio在2001年提出了3-URC转动并联机构，在2002年又提出了3-RRS转动并联机构。以上这些机构均能实现绕空间一点的三个转动自由度，亦即动平台可绕三条汇交的轴线转动。图1-16Gosselin的球面并联机构图1-17立方体3-RPS并联机构另一类三自由度转动并联机构为Huang和Fan在1996年提出的立方体3-RPS并联机构(图1-17)，该机构动平台可绕三条不汇交的轴线转动，很具特殊性。（3）三自由度混合运动并联机构Hunt在1983年提出的空间三自由度3-RPS并联机构具有两个转动自由度和一个移动自由度，这种机构后来得到了广泛的关注。如Lee等提出以此机构作为三自由度机器人操作臂和手腕，以及微操作机器人;Waldron和Roth设计了基于该机构的ARTISAN系统;Pfreundschuh等提出将该机构用作气动柔顺手腕;毕树生等将该机构和平面3-RRR并联机构组合构成了六自由度微动机构。并联机器人综述第8