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并联机器人的研究进展与现状连载2


2007 年第 8 期
文章编号 : 1001 - 2265 ( 2007 ) 08 - 0005 - 09

? 专题述评 ?

并联机器人的研究进展与现状
刘善增 ,余跃庆 ,杜兆才 ,杨建新
(北京工业大学 机电学院 ,北京  100022 ) (续接第 7 期第 10 页 )

5 

控制策略研究
由于并联机器人系统的复杂性 ,其控制策略 、 控制 方法的研究非常困难 。最初设计控制系统时 , 常常把 并联机器人的各个分支当作完全独立的系统 , 使用一 些常规控制方法进行控制 , 在实际中难以实现或得不 到令人满意的控制效果 。最近几年 , 国内外学者对并 联机器人控制策略的研究才有了一定进展
Charles C. Nguyen等
[ 189, 190 ] [ 147 ]

了一种基于计算力矩法的线性 H 控制方法实现了 Stewart并联机器人控制 : 首先采用反馈线性化方法 (计 算力矩法 ) 将非线性对象的数学模型线性化 , 然后按 照线性 H 控制理论设计了反馈控制器 ,使得闭环控制 系统对参数摄动和外界干扰具有强鲁棒性 。 我国科研人员也对并联机器人的控制理论与策略 方法进行了大量研究 。王洪瑞等
[ 161 ]



论应用于并联机器人的轨迹控制 , 引进了离散趋近律 的概念 ,给出了实用的离散变结构控制算法 。孔令富 等
[ 162 ]



研究了 Stewart平台关

节空间中的自适应控制 , 控制算法由 PD 控制构成 , 此 算法在低速下条件能够适应静态或动态的负载变化 。
B ryfogle 等进行了并联机器人力反馈控制的研究 , 内环

制模型 ,通过分析机器人动力学方程 ,提出一种简单有 效的力补偿控制方法 。接着 , 又对并联机器人力控制 算法基于并行结构的计算进行了研究 , 设计了并行处 理双机系统结构 ,提高了算法处理速度 ,保证了实时力 控制
[ 163 ]

采用固定增益的 P I 控制和外环采用动力学模型进行 D 前馈补偿 。Koditschek
[ 151 ]

为机械和电机两个子系统 , 分别建立了两个子系统的 模型和设计了控制器 ,从而得到整个系统的控制器 ,并 证明了闭环控制系统的指数稳定性 。文献 [ 152 ]提出 了一种积分变结构控制策略 , 增强了系统抗干扰和参 数摄动的鲁棒性 , 完成了系统的轨迹跟踪控制 。 Y .
Ting通过研究 Stewart并联平台在任务空间的控制方

法 ,指出控制器的设计方法是将系统模型中与未知参 数有关的项同已知的 、 可确定的项分离开来 ,得到只包 含未知参数的参数灵敏度模型 。 Seunghoon Chae
M. Honegger
[ 155 ] [ 154 ]

在对 6 自由度并联机器人分析的基础

上 ,提出了非线性自适应控制方法 。文献 [ 156 ~158 ] 采用鲁棒控制策略 , 实现了针对并联机器人的轨迹和 计算力矩控制等 。 Chung 等
[ 159 ]

平台进行了模糊控制方法和稳定性研究 , 指出模糊控 制器输出的大小和符号主要由位置误差决定 , 而速度 误差仅对控制输出的大小起作用 , 并用 Popov 稳定性 判据证明了模糊系统的全局稳定性 。文献 [ 160 ]采用

收稿日期 : 2007 - 01 - 05  3 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50575002) ; 北京市自然科学基金资助项目 (3062004) ; 北京市教委科技发展计划项目 ( K M200610005003) ; 北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目 ( PHR ( IHLB ) ) 作者简介 : 刘善增 ( 1977 —) ,男 ,山东人 ,北京工业大学机电学院博士生 ,主要研究方向为柔性并联机器人等 , ( E - mail) liushanzeng@ emails bjut . . edu. cn。

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将 62 DOF 并联机器人系统分
,

系统的基础上 , 研究了一种修正位置 /力控制系统 , 并 进行了仿真 。李成刚等
[ 165 ]

动力学基础上 ,运用具有比例微分前馈环节的模型参 考自适应方法 , 实现了对并联机床的动态控制 。文献
[ 166 ]将干扰力前馈补偿与模型参考自适应控制相结

对液压驱动的 Stewart

合 ,提出了 6 2 DOF 液压并联机器人的控制方案 。张建 明等
[ 167 ]

与神经元非模型控制方法相结合 , 设计了一种模糊转 换器 ,提出了使用模糊转换器的神经元控制方法 。方 [ 168 ] 浩等 提出了基于层迭 CMAC (基于小脑模型的联结 控制器 )的标称自适应和迭代学习控制方法相结合来 对六自由度液压并联机器人进行控制的方法 , 此方法 中将标称自适应控制中确定的模型信息与未知的信息 分离 ,利用模型中确定的信息进行前馈控制 ,而对于未 知信息则利用层迭 CMAC 进行自适应学习得到 。左爱 秋等
[ 169 ]

由度平台的静动态位姿 , 较好地解决了六自由度平台

基于 6 2 DOF液压并联机器人的液压主动关节控 针对液压并联机器人系统 ,利用模糊信息处理 提出了一种基于立体视觉的方法来检测六自 。文献 [ 164 ]在 6 2 DOF 并联机器人运动控制 在分析并联机床运动学和 ?5?
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3

(连载 )



将离散变结构理

? 专题述评 ?
位姿检测的难题 。王洪斌等
[ 170 ]

组合机床与自动化加工技术 根据并联机器人控制 行了整定 ,有效地解决了传统整定方法因其多目标函 数相互制约而难以得到最优解的问题 。马骁等
[ 181 ]

的特点 ,将积分变结构控制理论应用于并联机器人的 轨迹跟踪 ,同时引入了趋近律 ,给出了积分变结构控制 规律 。焦晓红 ,方一鸣
[ 172 ]



针对液压伺服驱动并联机器

人数学模型的特点 , 设计了一种具有变速趋近律的离 散滑模变结构控制器 。接着 , 又对含有不确定性的液 压并联机器人 ,设计了一种鲁棒自适应控制器 ,该控制 器能够克服参数变化和负载扰动的不良影响 , 系统的 鲁棒全局渐近稳定性和动态跟踪性能较好
[ 171 ]

。文献

[ 173 ]根据并联机器人支撑杆数学模型参数摄动较大

和时变的特点 ,设计了一种用于并联机器人轨迹跟踪 的离散滑模变结构鲁棒控制器 ,通过引入变速趋近律 , 控制系统响应速度快 , 对参数摄动和外界干扰具有较 强的鲁棒性 。文献 [ 174 ]针对并联六自由度机器人在 建立系统数学模型的基础上 , 设计了一种采用双链交 叉算子的遗传算法来获取模糊控制的经验 , 实现对机 器人的智能模糊控制 。万亚民等
[ 175 ]

针对液压并联机

器人运动过程中的参数时变和耦合力扰动问题 , 通过 在前馈型网络中增加反馈环节的方法 , 设计了一种新 型动态神经网络 , 同时根据能全面衡量系统性能的综 合目标函数 , 推导出 了网 络控 制学 习算 法 。张泽 友 等
[ 176 ]

通过在基本模糊控制器中引入智能积分环节 ,设

计了一种用于并联机器人轨迹跟踪的模糊控制器 , 系 统对参数摄动和外界干扰具有较强的鲁棒性 。何景峰 等
[ 177 ]

针对六自由度 Stewart型并联机器人 , 利用反馈

线性化和 PD 控制实现了平移运动间的解耦 ,又通过设 计一种解耦控制器完成了旋转输出解耦 , 从而实现六 自由度并联机器人输出间的完全解耦 。季肖枫等
[ 178 ]

针对一种三平移并联机器人机构 , 基于运动学分析实 时求得各支路主动副期望角位移 , 建立了控制系统模 型 ,设计了一种用于并联机器人轨迹跟踪的模糊控制 器 ,通过仿真实现了对各支路主动副期望运动轨迹的 跟踪 ,系统对参数摄动和外界干扰具有较强的鲁棒性 。 杨志永 ,黄田等
[ 179 ]

移动副驱动 ,含平行四边形支链结构的并联机构位置 、 速度及加速度逆解模型 , 并利用虚功原理建立其刚体 动力学逆解模型 ,设计了一种鲁棒轨迹跟踪控制器 ,确 保了跟踪误差的一致终值有界性 。文献 [ 180 ]提出了 一种新定常 P I 参数整定方法 , 该方法综合考虑机电 D 耦合效应 、 全域综合性能及随位姿实时变化的惯性负 载 ,建立了以末端执行器操作空间的方均根误差最小 为优化目标的整定方案 , 对伺服系统控制器的参数进 ?6?

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针对一种 3 2 HSS并联机床导出了外

出了 2 2 DOF 并联机械手的位置 、 速度和加速度逆解模 型 ,并根据动能定理计算了机械手的质量惯性矩阵 ,实 现了控制算法解耦 , 利用虚功原理建立了能用于实时 控制的动力学简化模型 , 并设计了适合于并联机械手 的计算力矩控制器 。

6  并联机构的应用

并联机构由于其本身特点 , 一般多用在需要高刚

度、 高精度和高速度而无需很大空间的场合 。 ( 1 )运动模拟器 : 训练用飞行模拟器具有节能 、 经 济、 、 安全 不受场地和气候条件限制等优点 。目前已成 为各类飞行员训练必备工具 。 ( 2 )六维力和力矩传感器 : 国内外有许多学者把并 联机构的思想引用到了六维力传感器的力敏感元件结 构设计上来 , 如 Kerr, Nguyen 和 Ferraresi以及国内北 京大学的陈滨 、 华中科技大学的熊有伦 、 燕山大学的高 峰等 。 ( 3 )微动机构与微型机构 : 这种微动机构利用了并 联机构的工作空间不大但精度和分辨率都非常高的特 点 。例如 ,瑞士 EPFL 研制了用于在集成光纤底片上定 位一单模光纤的微动机器人 ; 哈工大的压电陶瓷式六 自由度微动机器人 ; 燕山大学的六自由度机器人误差 补偿器等 。 ( 4 )步行器的腿 : 由于少自由度的并联机器人机构 高刚度和动态性能好等特性 , 可以用做步行器或爬壁 机器人的腿 。如日本 H irose & Yoneda 实验室研制的 PV 2II和 TITAN 系列四足步行器以及 N I JA 2I N I JA 2 N 、 N
II系列爬壁机器人等 。 ( 5 )对接机构 : 作为操作器并联机构可用作飞船和

空间站对接器的对接机构 。此类对接机构也可用在汽 车装配线上的车轮安装和医院中的假肢接骨等 。 ( 6 )工业机器人 : 并联机构在这方面应用最多的是
Delta 并联机构与 Tricep t并联机构 ,主要用于食品与药

品的包装与机械自动生产线上 。 ( 7 )虚拟轴机床 : 虚拟轴车床是并联机构在工程应 用领域最成功的范例 ,与传统数控机床相比较 ,它具有 传动链短 、 结构简单 、 制造方便 、 刚性好 、 重量轻 、 速度

快、 切削效率高 、 精度高 、 成本低等优点 ,容易实现六轴 联动 ,因而能加工复杂的三维曲面 。如美国 Giddings &
Lew is公司 和 Ingersoll 公 司 各 自 研 制 的 Variax 型 和 Hexapods加工中心 、 德国 M ikrom at公司的 Hexa 6X 加

工中心 、 瑞典 Neos Robotics公司的 Tricep t机器人等 。

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2007 年第 8 期 ( 8 )医用机器人 : 德国柏林洪堡大学医学院手术机

? 专题述评 ?
[1]

器人实验室采用 Delta机器人成功进行了脑部手术 。 ( 9 )天文望远镜 : 如德国波鸿鲁尔大学 ( Ruhr Uni2
versitaet Bochum )的天文研究所与卡尔蔡司光学公司 ( Carl Ziess GmbH )合作 ,于 1999 年建造了一台反射镜
[1]

直径为 115m 和质量达 5 t的大型天文望远镜



7  结束语

由于并联机器人与串联机器人相比具有刚度大 、 承载能力强 、 精度高 (累积误差较小 ) 、 自重负荷比小 、 动态性能好 、 运动学反解容易和便于实时控制等优点 。 因此 ,引起了国际学者的广泛关注 。本文根据掌握的 大量并联机器人文献 , 对其近几年的主要研究成果进 行了系统阐述 ,并指出了尚未解决的主要问题和不足 , 这些内容对并联机器人的进一步研究具有重要的参考 价值 。
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5  结论

随着计算机技术 、 微电子技术 、 网络技术等的快速 发展 ,必将迎来装配机器人的飞速发展 。我国机器人 技术虽起步较晚 , 在国家科技攻关项目及国家 863 计 划的支持下也得到了一定的发展 , 但与国际先进水平 还有很大差距 ,目前国际机器人界都在加大科研力度 , 进行机器人共性技术及关键技术的研究 , 并朝着智能 化和多样化方向发展 。因此 , 发展我国的装配机器人 事业急不可待 。
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