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并联机器人发展现状与展望


并联机器人发展现状与展望
〔 作者:夏广岚 等人 转贴自: 《中国科技信息》2005 年第 22 期 1 ,并联机构的提出,特点及应用 并联机构的提出, 1965 年,德国 Stewart 发明了六自由度并联机构,并作为飞行模拟器用于训练飞行员. 1978 年澳大利亚著名机构学教授 Hunt 提出将并联机构用于机器人手臂.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.由于机器人在线实时计算是要计算反解的,这对串联式十分不利,而并联式容 易实现. 2 ,并联机构的分类 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 自由度并联机构,如 5-R,3-R-2-P(R 表示转动副,P 表示移动副) 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 个移动运动. (2 )3 自由度并联机构.3 自由度并联机构各类较多,形式较复杂,一般有以下形式: 平面 3 自由度并联机构,如 3-RRR 机构,3-RPR 机构,它们具有 2 个移动和一个转动;球 面 3 自由度并联机构,如 3-RRR 球面机构,3-UPS-1-S 球面机构,3-RRR 球面机构所有运 动副的轴线汇交空间一点,这点称为机构的中心,而 3-UPS-1-S 球面机构则以 S 的中心点 为机构的中心, 机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动; 维纯移动机构, Star Like 3 如 并联机构,Tsai 并联机构和 DELTA 机构,该类机构的运动学正反解都很简单,是一种应用 很广泛的 3 维移动空间机构;空间 3 自由度并联机构,如典型的 3-RPS 机构,这类机构属 于欠秩机构[1],在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点,由于这种特殊 的运动特性, 阻碍了该类机构在实际中的广泛应用; 还有一类是增加辅助杆件和运动副的空 间机构,如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的 3-UPS-1-PU 球坐标式 3 自由度并联机 构, 由于辅助杆件和运动副的制约, 使得该机构的运动平台具有 1 个移动和 2 个转动的运动 (也可以说是 3 个移动运动) . (3 ) 自由度并联机构. 自由度并联机构大多不是完全并联机构, 2-UPS-1-RRRR 机 4 4 如 构, 运动平台通过 3 个支链与定平台相连, 2 个运动链是相同的, 有 各具有 1 个虎克铰 U , 1 个移动副 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. (4 )5 自由度并联机构.现有的 5 自由度并联机构结构复杂,如韩国 Lee 的 5 自由度 并联机构具有双层结构(2 个并联机构的结合) . (5 )6 自由度并联机构. 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.从完全并联的角度出发,这类机构必须具有 6 个运动链.但现有的并联机构中,也 有拥有 3 个运动链的 6 自由度并联机构,如 3-PRPS 和 3-URS 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. 3 ,并联机器人的发展现状 国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视. 1994 年在芝加哥国际机床 博览会(IMTS'94)上首次展出了称为"六足虫"(Hexapod)和"变异型"(VARIAX)的数控机床与 加工中心并引起了轰动[2].此后,各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联机

床的研究与开发.如美国 IngersollMilling 公司,Giddings&Lewis 公司和 Hexal 公司,英国 GeodeticTechnology 公司,俄罗斯 Lapik 公司,德国 Mikromat 公司,亚琛工业大学,汉诺 威大学,斯图加特大学,挪威 Multicraft 公司,瑞士 ETZH 和 IFW 研究所,瑞典 Neos 机器人 公司,意大利 Comau 机床公司,丹麦 Braunschweig 公司,日本丰田公司,日立公司,三 菱公司,韩国 SENATECHNOLOGIES 公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机床,激 光加工和水射流机床,坐标测量机等基于并联机构的制造设备[3,4].并联机床所涉及的基本 理论问题同样引起了许多研究单位的重视, 由美国国家科学基金会动议,1998 年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专 题研讨会,2000 年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会. 我国已在国家"九五"科技攻关计划和"863"高技术发展计划中对并联机床的研究与开 发予以支持.中国科学院沈阳自动化研究所,清华大学,天津大学,哈尔滨工业大学,东北 大学, 河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作, 并与相关企 业合作研制了数台结构形式各异的样机[5,6]. 基于并联机器人的多坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机床制造领域的 研究热点.目前,国内外所推出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构(尤其是其中 的 Stewart 平台机构)来构造机床(也有一些在并联机构的动平台上再串接一,两个转动关节 以增加工具的姿态空间).根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有 6 自由度(6 条腿) 以及 3 自由度(3 条腿)两类;按照各分支链的驱动方式可分为两种形式:一种形式为各分支 链(定长杆)的一端通过滑块(或丝杠螺母副)沿固定平台导轨移动(简称"腿滑动")来改 变动平台的位置及姿态;另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩(简称"腿伸缩")来改变动 平台的位置及姿态. 4 ,发展展望 并联机器人虽然经过了几十年的研究,在理论上比较成熟,但是很大程度上是 在大学的实验室,真正投入到生产实践中的并联机器人甚少.近年来,先进制造技术的发展 对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用. 随着先进制造技术的发展, 工业机器人已 从当初的柔性上下料装置,正在成为高度柔性,高效率和可重组的装配,制造和加工系统中 的生产设备.要从组成敏捷生产系统的观点出发,来研究并联机器人的进一步发展.面向先 进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中, 不仅有多机器人的集成, 还有机器 人与生产线,周边设备,生产管理以及人的集成.要想使并联机器人充分发挥其优势性,适 应于市场的需求,就需要对并联机器人进行模块化设计.并联机器人的模块化设计正是符合 敏捷制造提出的策略, 敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组, 快速响应市 场变化, 生产出满足用户需求的个性化产品. 并联机器人的模块化设计为并联机器人迅速走 向市场奠定了良好的基础.

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