并联机器人研究现状

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1、1 引言并联机器人无论是从结构上还是功能实现上都是一种新型机器人。并联机器人具有精度高、刚度大、惯性小、承载能力高、运动反解模型简单、操作速度高、易于控制等特点，因此，其应用范围从最初的飞行模拟器到近几年来的宇宙飞船空间对接器、精密操作微动机器人以及虚拟轴加工车床等。现在并联机器人的研究吸引了越来越多的科研学者，其应用范围也在不断的扩大。1965年，英国高级工程师Stewart首先提出了一种6自由度的并联机构作为飞行模拟器用以训练飞行员[1]。如图1所示，这是一个典型的6自由度Stewart平台。从结构上看，它是由6根支杆将上下平台联结起来，这6根支杆都

2、可以独立地自由伸缩，它们又分别用球铰与上下平台联结，这样上平台就可以相对于下平台实现6个自由度地动作，即在三维空间内可以作任何方向地移动和绕任何方向、位置的轴线转动。1978年，澳大利亚的Hunt教授指出这种机构更接近于人体的结构，可以将此平台作为机器人机构[2]。在20世纪90年代之前，当国际上的许多研究人员开始把研究重心从串联机器人转向并联机器人时，我国的并联机器人研究人员还寥寥无几，比较著名的有黄真、孔令富、方跃法等。在那之后，尤其是近5年，国内诸多学者才开始对这种特殊的机构进行深入细致的研究，包括其机构学、运动学、动力学、控制策略以及仿真实现等，

3、本文将根据大量国内相关文献对这些方面的研究成果进行总结介绍，并对我国并联机器人未来发展的方向以及尚待解决的问题进行阐述。图1  6自由度Stewart平台机构2 机构学与运动学   并联机器人的机构学与运动学主要研究并联机器人的运动学、奇异形位、工作空间和灵活度分析等方面，这是实现并联机器人控制和应用研究的基础。   (1) 运动学   运动学研究的内容包括位置正解和逆解两方面。位置正解就是根据给定的关节变量求机器人手部位姿，逆解就是根据机器人手部位姿求各关节变量。对于并联机器人而言，其位置逆解很容易，而正解是相当复杂的，许多理论研究者在求正解方面颇有建

4、树。   燕山大学的黄真教授选用了Stewart机器人作为研究对象，发展了Tesar影响系数原理，提出了应用机构影响系数来求解机器人的位置正解[3]。哈尔滨工业大学的孙立宁教授以刚体运动学的原理为基础，研究了机构影响系数，用运动坐标系和拟牵连速度的概念给出了机构速度影响系数公式，给出了求解并联机器人的雅克比矩阵的方法[4]。北京交通大学的方跃法教授将螺旋理论应用于并联机器人机构设计中，他提出基于二阶曲线分解理论的操作器运动螺旋系主螺旋的识别的解析方法，为少自由度并联机构的运动特性研究提供必要的理论基础[5]。东北大学的郭阳在建立了基本的并联机器人约束方程

5、以后，利用符号计算与折配消元法推导出高次多项式，并应用了先进的计算机软件Mathematica进行了求正问题实解的数值验证[6]。   (2) 奇异位形   当并联机构处于奇异位形时，其操作平台具有多余的自由度，机构将失去控制，同时，关节驱动力将趋于无限大，从而造成机器人机构的损坏，因此在设计和应用并联机器人时应该避开奇异位形。在理论上看，当并联机构处于奇异位形时，其雅克比矩阵成为奇异阵，行列式为零，机构的速度反解不存在。实际上，并联机器人不但应该避开奇异位形，而且也应该避免奇异位形附近的区域，因为在此范围内，机器人的运动传递性很差。由此可见，并联机器人

6、奇异位形的研究具有重要意义。许多研究者采用不同的方法对奇异位形进行计算和判定。   宝鸡文理学院的赵迎祥等以并联机构在奇异位形下产生的微小位移与关节和结构约束的关系为基础，研究了具有重合球铰中心的6-3式和6-4式并联机构的奇异位形，分别得到这两种机构奇异位形的三阶和四阶判别行列式及奇异位形的特殊情形，并给出了瞬时运动的位移螺旋[7]。天津大学的赵新华等以动平台瞬时运动为基础建立奇异位形条件，获得简化的奇异位形判别式，并用6自由度三角平台和3支链平台为例进行了此判别式的论证[8]。天津理工大学的张威等基于机构瞬时运动分析的方法，分析了3－RTT并联机器人

7、处于奇异位形时的几何条件，建立其奇异位形的判别阵，并编写程序进行实时计算[9]。(3) 工作空间和灵活度   工作空间是指机器人操作器的工作区域，是衡量机器人性能的重要指标。吴生富等人在输入转化方法的基础上，对并联机器人工作空间的各截面进行分析，讨论了结构尺寸与工作空间的关系，得出可以通过改变上下平台短边夹角或平台半径、改变上平台半径、改变油缸最短长度四种途径来改变机器人的工作空间[10]。沈阳工业学院的王铁军等研究了并联机构工作空间极限边界数值搜索算法，讨论了并联机器人位置和姿态的工作空间以及包括关节约束在内的工作空间问题[11]。中科院的李方等以解析

8、法为基础，结合并联机器人的运动特性，提出一种可以精确确定并联机器人工作空间的几何