机器人机构设计中最重要的步骤之一是解决机构型综合的问题,机器人机构构型方法的研究具有十分重要的理论和实际意义,尤其是并联机器人的型综合方法一直以来都受到国内外许多研究学者的关注。在并联机器人机构的构型理论研究中,基于机构末端运动特征描述与机构需要完成的功能的简单有效的构型方法还缺乏系统的研究。
并联机器人机构构型方法研究
8
多自由度机构，其构型综合是一个非常具有挑战性的难题。目前国内外主要有 5 种并联机构的型综合研
究方法，即：基于机构的结构公式的构型方法、基于螺旋理论的综合方法、基于群论和微分几何的综合
方法、基于单开链的型综合方法以及基于集合的综合方法。
1-3-1 基于机构的结构公式的构型方法
基于机构的结构公式（即自由度计算公式）的构型方法是比较传统的一种并联机构的型综合方法。
Tsai
[84]
在1999 年用基于计算自由度的Grübler-Kutzbach 公式的列举法综合了一类三自由度并联机构。
基于并联机构自由度计算的一般Grübler-Kutzbach 公式为
( )
1
1
=
= ??+ ∑
g
i
i
M d n g f (1.1)
式中M 为机构的自由度数；
d 为机构的阶；
n 为机构的杆件数(包括机架)；
g 为运动副数；
i
f 为第i 个运动副的自由度数。
当给定机构的自由度数M 后，根据(1.1)寻求机构的每个分支运动链的运动副数。并联机构属于空
间多环机构，其独立环路数l 可以由下式给出
l = g ?n +1 (1.2)
该式即为著名的欧拉环路公式。将上式带入(1.1)中，可得到
=1
∑= +
g
i
i
f M d l (1.3)
定义并联机构中第j 个分支总的自由度数为
j
C ，则有下式成立
=1 =1
∑=∑
mg
j i
j i
C f (1.4)
将(1.4)代入(1.3)消去
i
f 后得到
∑= +
m
j
j
C M d l (1.5)
对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立m = M且l = M ?1 (1.6)
把(1.6)代入(1.5)消去l 后得到
= ?+1
j
d
C d
M
(1.7)
由上式在已知d 和M 时，可以得到分支运动链的自由度数
j
C ，从而给出分支运动链。例如，d =3，
M =3时，由式(1.7)可得
j
C =3，分支运动链可以是RRR、RPR、PRR 等。并联机器人机构构型方法研究
1 0
寻找可以生成{ }
gi
L 的分支运动链，此时可利用位移子群乘法运算的封闭性获得不同结构的分支。
Hervé和Angeles 等较早将李群理论引入并联机构型综合。1978 年，Hervé
[113]
基于位移群的代数结
构对运动链进行了分类，证明了所有六种低副所生成的运动都是位移子群，还给出了另外六种位移子群
以及子群间交集的运算法则，奠定了位移子群以及子群间交集的运算法则和位移子群综合法的理论基
础。之后，Hervé等人
[114-124]
分析了位移子群及其对应的李代数，认为并联机构动平台的位移群是所有
串联分支的位移群的交集，先后用位移子群综合法研究了三自由度移动并联机构、三自由度球面并联机
构、非对称无过约束球面并联机构、非对称的2T1R 和1T2R 三自由度并联机构的型综合，并将这种方
法发展至doubly planar bond 和planar spherical bond 型单链的并联机构综合问题上。他指出，李群代数
方法可以系统地解释一些人们所熟悉的并联机构运动。
此外，李秦川等
[125-127]
运用李群和李代数概念对三自由度移动并联机构以及3R2T 型五自由度机构
的型综合进行了系统的分析，综合出数种三自由度移动并联机构和3R2T 型五自由度并联机构；并进一
步提出基于李群的位移流形综合理论，综合出多种少自由度并联机构。Angeles
[128]
运用群的理论提出了
构造并联机构的II 型、II
2
型、II
3
型铰链。
位移子群综合法的优点在于可以给出具有确定几何关系的分支运动链以及用多个分支运动链构造
并联机构时的几何条件，而且位移子群代表的是连续运动，得到的机构都是非瞬时机构。然而，刚体的
大多数运动并不具有群的代数结构，这种方法“由于必须保持群的代数结构而应用有限”[85]
，例如，
两移动三转动2T3R、三移动两转动3T2R、一移动三转动1T3R、两移动两转动2T2R、一移动两转动
1T2R 和两移动一转动2T1R 均无对应的位移子群。
李泽湘等
[129-131]
运用李群和李代数对少自由度并联机构的综合和分析建立一套严格准确的几何理
论，并提出了微分几何综合法，通过同时研究SE(3)的代数和微分几何性质，提供了一个用李群和子流
形统一描述基本运动副和串、并联机构末端执行器运动类型的理论框架。该方法可被认为是李群代数法
的完全推广，是一种一般性综合方法，可以综合包含李子群和子流形运动类型在内的所有并联机构。
1-3-4 基于单开链（SOC）的综合方法
杨廷力等
提出基于单开链的并联机器人机构的构型方法，该方法的基本思想是以单开链支路
为结构综合单元，先构造单开链，确定其运动输出特征矩阵，然后对构成并联机构每个单开链的运动输
出特征矩阵求交集，根据得到的交集来确定动平台的自由度及其类型，从而综合所期望的并联机构。
在综合过程中充分考虑了运动副的等效性原理，即用平行四边形4R 机构替代P 副，用平行四边形
4R 机构替代P 副可以改善并联机构的有关性能，如快速运动、提高机构效率等，用圆柱副C 替代R、
P 副，综合出了29 种新型三平移并联机构，50 种新型三平移一转动并联机构和49 种新型三平移两转
动并联机构。
基于单开链的综合方法将机构的综合分为两个部分，一是运动输出特征矩阵的求交，另一个是自由
度的非线性约束。方位特征矩阵的交运算是动平台运动输出的必要条件，只有同时考虑线性运算和自由河北工业大学博士学位论文
9
但随着研究的深入，人们发现这种列举法还存在一些问题，如Merlet
[85]
在2002 年ASME 年会的特
邀主题报告指出，列举法“未考虑运动副的几何布置，容易得出无效的结果”。这些问题归纳起来包括：
(1) 不能综合出具有指定自由度性质的并联机构。
(2) 机构的阶d 的取值难以确定，从而限制了应用范围。一般认为，六自由度并联机构的阶数为6，
而平面机构和球面机构的阶数为3。
(3) 没有考虑冗余约束。
(4) 无法给出综合出的分支运动链中各运动副间的相对几何关系和所有分支间的几何关系。
(5) 无法判别得到的机构是否为瞬时机构。
1-3-2 基于螺旋理论的综合方法
螺旋理论是空间机构学研究中非常重要的数学工具
[86-92]
。黄真、L. W. Tsai 和C. M. Gosselin 等基于
运动螺旋、约束螺旋、反螺旋和螺旋系线性相关性等概念，提出用约束力-反螺旋理论研究并联机构的
型综合方法。该方法通过在某一个特定位置使所有支链的约束力形成的子空间叠加之后等于理想运动在
该点切空间的补空间，从而使移动平台在该点附近能实现给定运动。黄真、赵铁石、李秦川等
[93-101]
给
出了少自由度并联机器人机构的型综合原理，在国际上首次综合出了国际权威认为不存在的
动的五自由度对称并联机构。赵铁石等
[102-104]
进一步提出约束螺旋综合理论的思路、少自由度并联机构
型综合的螺旋法以及输入选择原理，并综合出分支中不含闭环子链的三移一转四自由度4-URU 并联机
构。于靖军、赵铁石
[105]
等人应用螺旋理论系统研究了三维平动并联机构型综合方法。Kong 和
Gosselin
[106-110]
基于螺旋理论研究了三自由度球面并联机构、三自由度移动并联机构、三移一转四自由
度并联机构和五自由度并联机构的型综合。方跃法和Tsai
[111-112]
运用反螺旋理论综合出一类三自由度球
面并联机构，并描述了动平台具有球面运动的几何条件；并综合出一类由相同支链构成的四自由度和五
自由度并联机构。
由于运动螺旋和力螺旋本身都是瞬时的，它们只能描述物体瞬时状态下的运动和约束，所以约束综
合法本质上属于瞬时范畴，需要对其得到的机构进行非瞬时性的判别。
1-3-3 基于群论和微分几何的综合方法
目前，李群和李代数理论也广泛的应用于机构的运动分析、机器人分析和控制方面。位移子群综合
法的基本思想是并联机构动平台运动生成的位移子群是所有分支运动生成的运动子群的交集，记动平台
的运动生成的位移子群为{ }
g
M ，机构中第i 个分支运动链生成的位移子群为{ }
gi
L 。把分支中所有运动
副都看成是单自由度运动副的组合，则{ }
gi
L 是这些单自由度运动副生成的位移子群的积。型综合的问
题就可以归结为已知{ }
g
M ，寻求未知的{ }
gi
L 及相应几何条件，使之保证
1
{ } { }
=
= ∩
n
g gi
i
M L 。在{ }
gi
L 确定后，§1-3 机器人机构构型方法研究现状
机构的创新是机械设计中永恒的主题，人们要设计出新颖、合理、有用的并联机器人机构，不仅要
有丰富的实践经验，而且要熟悉机构的组成原理。机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的。机
构组成原理是机构类型研究的复杂而困难的问题
[75]
。机器人机构学是机器人科学的基础，很多空间机
构及机械领域问题的发展都有赖于空间机构分析问题的解决
[76]
。在机器人机构设计中最重要的步骤之
一就是解决机构型综合的问题。机构型综合主要研究的内容为机构需要完成的“任务空间”基本功能特
性与类型的数学描述、机构的自由度计算原理、机构的运动副类型、机构的支链类型、机构的构型原理
与数学描述方法。
在平面机构构型理论方面，比较典型的综合方法包括Assur 杆组法、二杆链转化法、对偶图法、Franke
标记法、哈明数法、对称群理论、图论法等，这些理论研究积累了丰富的经验，综合并创新了多种机构
[77-83]
。到目前为止，已经形成了比较完善的平面机构构型理论和方法。
近年来，国内外机构型研究主要集中在并联机器人机构构型问题上。并联机构的结构属于空间多环
河北工业大学博士学位论文
11
度的非线性约束，才能确定动平台运动输出特性，而自由度的非线性约束增加了型综合的难度。
1-3-5 基于集合的综合方法
高峰
[139]
使用复合铰链综合具有确定运动特征支链的方法综合了多种少自由度并联机构，并提出了一种特殊的Plücker 坐标，用于描述机构和支链的运动特征。在此基础上，宫金良、高峰[140-142]
进一步
提出了基于运动基和G
F
集的机器人机构构型分析方法，使用四种运动基（移动基、转动基、左螺旋基
和右螺旋基）作为机器人末端运动特征描述的最小要素，提出了包括移动单元、转动单元等
在内的18
种运动单元，它们是构成机器人机构末端运动特征的最小功能单位，并建立了运动单元的加法和求交法
则，对支链与机构的运动特征进行了详尽的描述，然而其加法与求交算法较为晦涩难懂。§1-4 本文主要研究内容及意义
1-4-1 课题研究意义
由以上分析可知，上述构型理论统一的观点认为，机器人机构的型综合是指在给定机构的期望自由
度条件下，寻求机构的具体结构，包括运动副在空间的布置和所有分支运动链的布置，运动副的数目、
支链的数目等。然而，随着各种新型机器人机构的大量涌现，仅仅用自由度来描述所要构型的机器人机
构就显得很不全面。因此，机器人机构的构型理论首先要建立在对其末端运动特征和末端运动约束特征
的准确描述上，在机构的构型理论研究中，机构需要完成的“任务空间”基本功能特性与类型的数学描
述与其算法的简单有效的机构构型原理还缺乏系统的研究。
机器人机构的功能与机器人的机构拓扑构型间存在着非常重要的关系，机器人构型的分析与综合就
是要寻求机构构型与机器人末端性能间的一种映射关系，显然，找到这种映射关系并对其进行描述对机
器人机构构型的分析与研究将提供崭新的思路，同时坐标系的概念也将不复存在。基于此，本文在文献
[140-142]的基础之上，进一步研究基于G
F
集的并联机器人机构构型方法，利用该方法研究各类并联机
器人机构的型综合，该方法的提出为机构构型研究提供了一种新的思路，对并联机构构型方法具有一定
的指导作用。该构型方法的研究不仅有助于对现有机构的综合与分析，而且对发现新机构形式起着一定
的指导作用，为机械创新提供了一个很方便的手段，并且对少自由度并联微动机器人、多维力与力矩传
感器、仿生机器人、并联机床等高科技产品的研究和开发具有重要的意义。1-4-2 研究内容
本文研究一种并联机器人机构构型新方法，即基于G
F
集的并联机器人机构构型方法，利用该方法
研究了具有二维~六维运动特征的并联机器人机构的型综合。本文主要研究内容包括：
第一章回顾并联机构研究及应用现状，简介并联机器人机构构型理论及研究现状，分析现有理论
的侧重点，综述本课题的研究意义和主要内容。
第二章介绍G
F
集的基本概念及其定义，研究G
F
集的分类，提出确定运动特征的定义及空间旋转
运动行星定理。定义G
F
集的求交与加法运算，着重分析并建立求交与求和算法。研究基于G
F
集的机器
人机构构型方法，详细阐述了基于G
F
集的并联机器人机构构型方法及其特点，给出使用该方法进行并
联机器人机构型综合的具体步骤。
第三章列举具有二维~六维确定运动特征的各类支链，每种运动支链具有唯一的G
F
集表达式与
之对应，这些运动支链是后续并联机构构型研究的基础。
第四章使用基于G
F
集的并联机器人机构构型方法研究三类具有二维运动特征（即2T、1T1R、
2R）及四类具有三维运动特征（即3T、2T1R、1T2R 和3R）的并联机器人机构的型综合，系统揭示各
类二维与三维并联机器人机构的结构条件，列举出多种机构形式。
第五章使用基于G
F
集的并联机器人机构构型方法研究三类具有四维运动特征（即3T1R、1T3R、
2T2R）的并联机器人机构的型综合，系统揭示各类四维并联机器人机构的结构条件，列举出多种机构
形式。
第六章使用基于G
F
集的并联机器人机构构型方法研究两类具有五维运动特征（即3T2R、2T3R）
和六维运动特征（3T3R）的并联机器人机构的型综合，系统揭示各类五维及六维并联机器人机构的结
构条件，列举出多种机构形式。
第七章提出基于G
F
集的并联机器人机构末端特征的分析方法，分析三种并联机器人机构及一种
锻造操作机的末端运动特征，验证该方法的正确性和有效性。
最后是全文结论。
零件的设计与选型 1 定平台的设计 定平台又称基座，在结构中属于固定的，具体的参数见图一，厚度20cm。定 平台的等效圆半径为210mm。材料选用铸铁，铸造加工，开口处磨削加工保证精度。最后进行打孔的工艺。 图一定平台设计图
具体参数为长* 厚* 宽：880mm*10mm*20mm。孔的参数为φ10*10mm。材料用铝合金，设计为杆式，质量小，经济，同时也满足载荷条件。 图二驱动杆的设计图 3 从动杆的设计 具体参数为长* 宽* 高：620*20*10mm。孔参数为φ10*10mm。材料选用铝合金。 图三从动杆的设计图
参数如下图，考虑到重量因素，采用铝合金，切削加工。动平台的等效圆半径为50mm，分布角为21.5°。 图四动平台的设计图 5 链接销的设计 45号钢，为主动杆和定平台的连接销：φ9*66mm。
6 球铰链的选型 目前，大多数的Delta机构的主动杆与从动杆的链接方式为球铰链的链接。球型连接铰链是用于自动控制中的执行器与调节机构的连接附件。它采用了球型轴承结构具有控制灵活、准确、扭转角度大的优点，由于该铰链安装、调整方便、安全可靠。所以，它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业的自动控制系统中。球铰链由于选用了球型轴承结构，能灵活的承受来自各异面的压力。本文选用球铰链设计，是主要因为球铰链的可控性，以及结构简单，易于装配。且有很好的可维护性。 本文选用了伯纳德的SD 系列球铰链，相对运动角为60°。 7 垫圈的选型 此处我们选用标准件。GB/T 97.1 10‐140HV ，10.5*1.6mm。 8 电机的选型 本设计的Delta 机器人，主要面向工业中轻载的场合，比如封装饼干等。因此，以下做电动机的选型处理。 由于需要对角度的精确控制，因此决定选用伺服电机。交流伺服电机有以下特点：启动转矩大，运行范围广，无自转现象，正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立
并联机器人方案 一、并联机器人用途： 并联机器人作为一种新型的机器人形式得到了越来越多的应用，与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚度大、承载能力强、误差小等特点，与串联机器人形成了良好的互补关系。可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、岩土挖掘、光学调整、医疗机械等领域。 二、系统特点： 1、机构采用并联式结构，按工业标准要求设计，结构简单、速度快； 2、控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验； 3、提供教材、实验指导书等，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。 三、系统配置： 1、机器人本体、控制柜、电机控制卡、控制软件、理论教材及实验指导书。附属件配置有钻铣刀头、电主轴、绘图笔架、加工平台、手动夹具，另赠送一套加工所需原材料。 2、并联机器人加工装置（用电主轴本体、夹持器及钻铣刀）。 3、绘图装置（绘图笔架及绘图笔）。 4、并联机器人加工平台及工件夹持装置。 5、部分加工演示原材料（石蜡、尼龙等）。
1.并联机器人系统照片 2.并联机器人技术参数： 3.机器人型号：RBT-6T01P(全步进电机驱动) 机器人报价：175000.00元机器人型号：RBT-6S01P(全伺服电机驱动) 机器人报价：195000.00元
1.并联机器人系统照片 2.并联机器人技术参数： 3.机器人型号：RBT-6T02P(全步进电机驱动) 机器人报价：155000.00元机器人型号：RBT-6S02P(全伺服电机驱动) 机器人报价：175000.00元
六自由度桌面型并联机器人 1.并联机器人系统图片 2.并联机器人技术参数 3.机器人型号：RBT-6T03P(全步进电机驱动) 机器人报价：135000.00元机器人型号：RBT-6S03P(全伺服电机驱动) 机器人报价：155000.00元
机器人机构设计中最重要的步骤之一是解决机构型综合的问题,机器人机构构型方法的研究具有十分重要的理论和实际意义,尤其是并联机器人的型综合方法一直以来都受到国内外许多研究学者的关注。在并联机器人机构的构型理论研究中,基于机构末端运动特征描述与机构需要完成的功能的简单有效的构型方法还缺乏系统的研究。 并联机器人机构构型方法研究 8 多自由度机构，其构型综合是一个非常具有挑战性的难题。目前国内外主要有 5 种并联机构的型综合研 究方法，即：基于机构的结构公式的构型方法、基于螺旋理论的综合方法、基于群论和微分几何的综合 方法、基于单开链的型综合方法以及基于集合的综合方法。 1-3-1 基于机构的结构公式的构型方法 基于机构的结构公式（即自由度计算公式）的构型方法是比较传统的一种并联机构的型综合方法。 Tsai [84] 在1999 年用基于计算自由度的Grübler-Kutzbach 公式的列举法综合了一类三自由度并联机构。 基于并联机构自由度计算的一般Grübler-Kutzbach 公式为 ( ) 1 1 = = ??+ ∑ g i i M d n g f (1.1) 式中M 为机构的自由度数； d 为机构的阶； n 为机构的杆件数(包括机架)； g 为运动副数； i f 为第i 个运动副的自由度数。 当给定机构的自由度数M 后，根据(1.1)寻求机构的每个分支运动链的运动副数。并联机构属于空 间多环机构，其独立环路数l 可以由下式给出 l = g ?n +1 (1.2) 该式即为著名的欧拉环路公式。将上式带入(1.1)中，可得到 =1 ∑= + g i i
f M d l (1.3) 定义并联机构中第j 个分支总的自由度数为 j C ，则有下式成立 =1 =1 ∑=∑ mg j i j i C f (1.4) 将(1.4)代入(1.3)消去 i f 后得到 ∑= + m j j C M d l (1.5) 对于分支运动链结构相同，且分支数等于机构自由度数的对称并联机构，又有以下条件成立m = M且l = M ?1 (1.6) 把(1.6)代入(1.5)消去l 后得到 = ?+1 j d C d M (1.7) 由上式在已知d 和M 时，可以得到分支运动链的自由度数 j C ，从而给出分支运动链。例如，d =3， M =3时，由式(1.7)可得 j C =3，分支运动链可以是RRR、RPR、PRR 等。并联机器人机构构型方法研究 1 0 寻找可以生成{ } gi L 的分支运动链，此时可利用位移子群乘法运算的封闭性获得不同结构的分支。 Hervé和Angeles 等较早将李群理论引入并联机构型综合。1978 年，Hervé [113] 基于位移群的代数结 构对运动链进行了分类，证明了所有六种低副所生成的运动都是位移子群，还给出了另外六种位移子群 以及子群间交集的运算法则，奠定了位移子群以及子群间交集的运算法则和位移子群综合法的理论基
工业机器人的基本参数和性能指标 表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点： 1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。 2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。 3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。 (2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。 自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。日前工业机器人通常具有4—6个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活型，但也使控制变得更加复杂。 工业机器人在运动方式上，总可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用简记符号P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示机器人操作机具有四个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转-直线-旋转-旋转。此外，工业机器人的运动自由度还有运动范围的限制。 (3)有效负载(Payload)有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。 机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。
并联机器人设计论文 摘要：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。文中从运动副分析入手，对一种运动解耦的三自由度并联机构进行了构型研究，该机构由三个正交分布的支链组成，且机构的运动副均为转动副，构成了机构动平台x、y、z三个方向的平动解耦；在机构构型研究的基础上，对其进行了运动学分析，推导出了该并联机构的运动学正反解，分析了机构输入/输出的速度和加速度等，验证了该机构运动解耦的特性。这对该机构的动力学分析、控制策略、机构设计和轨迹规划等方面的研究，具有一定的理论意义。 关键词：三自由度并联机构；并联机器人；设计；
1.课题国外现状及研究的主要成果 少自由度并联机器人由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的实用价值，更具有较好的应用前景，因此少自由度的并联机器人的设计理论的研究和应用领域的拓展成为并联机器人的研究热点之一。研究少自由度并联机构最早的学者应属澳大利亚著名机构学教授Hunt ,在1983年,他就列举了平面并联机构、空间三自由度3-rps并联机构，但对四，五自由度并联机构未作详细阐述。在Hunt之后,不断有学者提出新的少自由度并联机构机型。在少自由度并联机构机型的研究中,三维平移并联机构得到广泛的重视。clavel提出了一种可实现纯平运动三自由度Delta 并联机器人,在Delta机构的支链中采用平行四边形机构约束动平台的3个转动自由度。Tsai提出的Delta机构完全采用回转副，并通过转轴的偏移扩大了Delta机构的工作空间。在Tricept并联机床上采用的构型是由Neumann发明的一种具有3个可控位置自由度的并联机构，该机构的突出特点是带有导向装置,采用3个副驱动支链并由导向装置约束动平台。Tsai通过自由度分析提取支链的运动学特征,系统研究了并联机构的综合问题,特别研究了一类实现三自由度平动的并联机构。Rasim Alizade于2004年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构的结构综合和分类的新方法和公式,并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串并联复联机构.我国燕山大学的黄真教授及其团队除了研制出解耦微型6维力传感器和微动机械，设计出一种新的
并联机器人发展概述 随着先进制造技术的发展，并联机器人已从简单的上下料装置发展成数字化制造中的重要单元。在查阅了大量国内外相关文献的基础上，介绍了并联机器人的特点、分类、应用，从运动学、动力学、控制策略三方面总结了近年来并联机器人的主要研究成果，并指出面临的问题。 1895年，数学家Cauchy研究一种“用关节连接的八面体”，开始人类历史上并联机器的研究。1938年Pollard提出采用并联机构来给汽车喷漆。1949年Caough提出用一种并联机构的机器检测轮胎，这是真正得到运用的并联机构。而并联结构的提出和应用研究则开始于70年代。1965年，德国人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年澳大利亚人Hunttichu把六自由度的Stewart平台机构作为机器人机构，自此，并联机器人技术得到了广泛推广。 自工业机器人问世以来，采用串联机构的机器人占主导位置。串联机器人具有结构简单、操作空间大，因而获得广泛应用。由于串联机器人自身的限制，研究人员逐渐把研究方向转向并联机器人。和串联机器人相比并联结构其末端件上同时由6根杆支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大，结构稳定。由于刚度大，并联结构较串联结构在相同的自重或体积下，有高的多的承载能力大。串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大、精度低，并联式则没有那样的误差积累和放大关系，微动精度高。串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯量，恶化了动力性能，而并联机器人将电机置于机座上，减小了运动负荷。在位置求解上，串联机构正解容易，但反解困难。而并联机构正解困难，反解非常容易，而机器人在线实时计算是要计算反解的。 根据并联机器人的自由度数，可以分为：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。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，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维平移空间机构；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，在工作空间不同的点，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的广泛应用；4自由度并联机构。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。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
河北工业大学城市学院 毕业论文 作者：周** 学号：***** 系(专业)：机械系 专业：机械设计与制造及其自动化 题目：全转动副三自由度并联机器人 指导者：李** 教授 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2015 年6月11 日
目录 1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 - 1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 - 1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 - 1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 - 1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 - 1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 - 1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 - 2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 - 2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 - 3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 - 3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 - 3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 - 3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 - 4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 - 4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 - 4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 - 4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 - 5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 2 6 - 结论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -
运动控制开发平台操作细则： 一、步进电机平台 1．上电计算机电源、驱动器电源、端子板电源。 2．运行GTCmdPCI_CH。 3．在菜单栏选择出现“基础参数设置”界面。 4.在“运控卡型号选择”栏，打开下拉菜单，选择所安装的运控卡型号。 设置“行程开关触发电平” 设置“编码器方向”，默认值0 设置控制周期，运控卡缺省的控制周期是200 μs。 5．点击“打开运控卡”按钮。 6．点击“确定”按钮。 7．在GTCmdISA_CH主菜单下选择打开“基于轴的控制”界面。 8．打开轴选下拉菜单，如下图，选择当前轴（操作轴）。 9．选择“清状态”，如右图，清除当前轴不正确的状态。 10、设置控制输出，驱动使能（轴开启） 在系统初始化完成后，在轴选框选择当前轴，按照根据系统要求设定控制输出。注意应与当 前轴的驱动器和电机的设置相统一。 SV卡： 可以选择输出模拟量，即0； 亦可选择输出脉冲量，即1。 SV卡： 选择“伺服打开/伺服关闭”选项（如右图，打勾为打开，不选为关闭）。此时驱动器使能，轴应该静止状态
11．点击“位置清零”按钮，观察“轴当前位置”为0。 4．在“运动控制模式”栏设置运动参数 5．点击“参数更新”按钮， 二、直流伺服电机平台 1～6步同步进电机一样 7、在轴的控制窗口中选中第4轴。 8、在“伺服滤波器参数设置”框中设置“比例增益”为10。 9、在梯形曲线页中“目标位置”为300000，“速度”为10，“加速度”为1。 10、点击“伺服打开”（SV卡时）/“轴开启”（SG卡时）选项，使控制器的第4轴进入伺服（开启）状态。 11、点击“清状态”键，使控制器的第四轴事件状态清除。 12、点击“参数更新”键，使第四轴开始运动 补充： 1、当某个轴选定并打开伺服后，在开发面板上会亮起相应的灯，分别是ENA1、ENA 2、ENA 3、ENA4. 2、在运动启动前应保证在控制软件的右侧的轴系状态或者坐标系状态正确，如：
并联机器人发展现状与展望 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。 1并联机构的发展概况 （一）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。 （二）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：
本科毕业设计（论文）说明书并联机械手式三维打印机结构设计 学院机电工程学院 专业班级机械工程及自动化五班 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期2014年5月28日
毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年月日
摘要 三维打印技术是集机械、自动控制、计算机科学、材料学等为一体的先进制造技术。本文首先介绍了三维打印技术的基本原理和特点，以及三维打印技术的发展现状和关键技术。接着阐述并联机器人的机构原理和特点，还有它的发展国内外发展情况。然后通过选题背景及设计目的引出如今三维打印机存在的问题，比如成型精度和速度等。 本文是对并联机械手式三维打印的整体结构设计。着重于机械手的机构的设计，简单性地说明打印机的整体设计。 在机械手的机构设计部分，需要建立运动学模型。对于机器人的控制系统来说，运动学正解和运动学反解都是不可避免的。还有一个重要点是并联机器人的尺度综合。尺度综合是并联机械手设计的重要内容，速度、精度、刚度、工作空间是评价并联机械手系统性能的重要指标。 机械手的机构设计完成后，因为是基于并联机械手的三维打印机，还需要讨论三维打印机的整体设计，这也是为了能将并联机械手和三维打印机很好地结合为一体。对于部分结构，本文会予以重点讨论。 关键词：三维打印技术，并联机械手，运动学模型，尺度综合
Abstract Three-dimensional printing technology is one of the advanced manufacturing technology of machinery, automatic control, computer science, material science etc.. This paper first introduces the basic principle and characteristics of 3D printing technology, as well as 3D printing technology development status and key technology. Then it elaborates the mechanism principle and the characteristic of the parallel robot, and the development of its domestic and foreign development. And then through the background and the design objective leads now 3D printer problems, such as molding speed and precision. This paper is the overall structure design of parallel manipulator type of three-dimensional printing. The design focuses on the manipulator mechanism, the simple description of the overall design of the printer. In the design of manipulator mechanism part, needs to establish the kinematics model. For the control system of robot, kinematics and inverse kinematics is inevitable. Another important point is the synthesis of parallel robot. Synthesis is an important content of design parallel machine, speed, precision, rigidity, the working space is an important index for evaluating the performance of parallel manipulator system. The mechanism of robot design, because it is a 3D printer parallel manipulator based on, also need to discuss the overall design of 3D printers, this is to be the good combination of parallel manipulator and a 3D printer as a whole. For part of the structure, this paper will be focused on. Keywords: 3D printing technology, parallel manipulator, kinematics model, dimension synthesis Key words: Multivariable system, Predictive control, Environmental test device
并联机器人文献综述 1、引言 人类千百年来对器械自动化的追求，促使了机器人的产生和发展。自从 1961 年美国推出第一台工业机器人以来，机器人得到了迅速的发展。广泛应用于工业各部门以及服务、医疗、卫生、娱乐等许多方面，对人类的生活产生了深远的影响。现代所说的机器人多指工业机器人，大都是由基座、腰部（肩部）、大臂、小臂、腕部和手部构成，大臂小臂以串联形式连接，因而也称为串联机器人，目前关于机器人的研究大部分集中于这一领域。就在串联机器人蓬勃发展的时候，又出现了一类全新的机器人——并联机器人。它作为串联式机器人强有力的补充，扩大了整个机器人的应用范围，引起机器人学理论界和工程界的广泛关注，成为机器人研究的主要研究热点之一。 并联机器人作为一种全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、动力性能好等一系列优点，并联六自由度机器人在许多行业有着非常好的应用前景，其特殊结构给机器人带来许多其它机器人不具备的优点。并联机器人是一种闭环机构，导致了其运动学和工作空间分析较为困难，同时也让机器人的精确控制变得特别困难。机器人运动时每个液压缸上分配的负载是变化的，因此每个液压伺服回路的受力、频率等系统参数也是变化的，常用的控制算法很难实现系统的精确控制。因此，对并联机器人的理论控制的研究对并联机器人的控制精度和应用推广有着重要的意义。 2、国内研究现状 最近几十年，国内外学者对并联机器人的特点、机构学、运动学方面进行了广泛、深入的研究，并且对这方面取得的成果进行了详细的概括和总结。但是,并联机器人作为一个结构复杂、多变量、多自由度、多参数耦合的非线性系统,其控制策略、控制方法的研究极其复杂。最初设计控制系统时，大多把并联机器人的各个分支当作完全独立的系统来进行控制,控制策略为传统的PID控制，控制效果很不理想。随着控制理论的发展，新的控制方法不断涌现，如智能控制"鲁棒控制"自适应控制等，并联机器人的控制也得到了迅速发展。 并联机器人作为一种结构复杂、多变量、多自由度、多参数耦合的非线性系
一种并联机器人设计与仿真 发表时间：2018-10-01T10:48:46.027Z 来源：《电力设备》2018年第16期作者：闫新华孟岳闫新兴 [导读] 摘要：本文提出了一种并联机器人设计方案，根据设计要求在soildworks2014中合理建模，在SimulationXpress中进行应力应变分析，在Adams中进行动力学仿真，优化了系统机械结构。 （诺伯特智能装备（山东）有限公司山东聊城 252059） 摘要：本文提出了一种并联机器人设计方案，根据设计要求在soildworks2014中合理建模，在SimulationXpress中进行应力应变分析，在Adams中进行动力学仿真，优化了系统机械结构。 关键词：并联机器人；设计；建模；分析 1.绪论 相对于串联机器人，并联机器人具备高强度刚度、更强的承载能力、优秀的动力性能、误差很小且无累计、精度高等一系列优点，串、并联机器人之间的关系为互补，应用的领域得到了开拓。近年来并联机器人受到广泛关注，在机器人领域中，国外早已着重研究并联机器人，并联机器人并联机构、并联平行机的分支，对于医学机器人、仿生机器人也具有相当重要的意义。 本文设计了一种并联机器人，对并联机械手的零部件进行了优化设计，在SoildWorks 2014中对关键结构件进行有限元分析，在Adams 2013中对关键机构进行动力学仿真分析。 2.结构设计与建模分析 2.1并联机器人的整体设计 并联机器人的整体设计如图1所示，机械系统包括驱动机构、底板，通过顶板、底板连接的主动臂、从动臂以及一些连接件。其中，顶板作为并联机器人的机械系统基座，通过主动臂、从动臂以及与之配合使用的其他连接件把驱动机构输出的动力转化成运动和动力传递到底板上；在顶板和底板之间，安装有三组驱动机构、主动臂、从动臂和其他连接件，每组独立工作，协同驱动底板进行动作、动力输出；底板连接末端执行器，共同完成特定的工作任务。 1－主动臂；2－顶板；3－底板；4－从动臂； 5－驱动机构；6－支撑架； 图1整机结构图 2.2并联机器人的机械系统设计 2.2.1并联机器人的顶板设计 并联机器人在运动过程中，机械臂保持空间平行四边形。末端是可知的螺钉系统限制轴的旋转，并联机器人没有转动自由度，共有三个方向的平移自由度[3]。顶板形状设计如同扇叶，保证结构强度的前提下用尽量少的材料，既减轻自重，又节省材料。同时节约了空间。因为此并联机械手有三条机械手臂，所以顶板形状设计如下，为三角形结构，这也是并联机器人被成为delta机器人的原因之一。顶板为静平台，所以上平面中间三个孔同时固定一个平面，达到固定整个机构的目的。周边的孔用来固定电机支架和主动臂支架。 本设计的目标抓取力为50N，在SoildWorks SimulationXpress中进行分析，使用SimulationXpress时，需要先设置零件装夹的位置，再对零件施加载荷，设定材料为铝合金，模拟运行分析，生成的报表中结果如图2所示，满足设计需求。 图2中颜色表示应力分布和变形比例等，色谱中深蓝色表示受力最小，红色反之。大面积蓝绿色证明零件强度没有问题。红色可能会产生疲劳或者断裂，上图是优化的结果，电机支架由两个丝孔固定，其中一个孔处于绿色带，所以可以保证机械手正常工作。 2.2.2并联机器人的臂设计 并联机构工作空间的影响因素：杆件其大小和形状结构的杆的长度，杆的长度必须小于最大杆长大于最小杆长；转动副限制，铰链的转角须小于最大转角；杆件在动平台和静平台之间有不同几何尺寸，不同维度之间会相互干扰。两相邻杆件轴线间距离应大于杆件直径。主动臂主要用来传递电机的转矩传动，承载主动臂以下部件的重量。因此，有必要确保刚度，还能保持质量较轻，这样在高速运转时，由于质量较大和产生大的惯性力大，造成整机操作稳定。主动臂的下缘做成弧形。因为主动臂承担力矩马达部分，承担更大的支撑，并与支撑力杆接触部分相对较小。在SoildWorks SimulationXpress中进行分析，材料选取铝合金，生成的报表中结果如图3所示。
学号： 密级： 武汉东湖学院本科生毕业论文(设计) 三自由度并联机械手的设计 院(系)名称：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师: 二〇一六年五月六日
郑重声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学术论文是本人在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表和撰写过得内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 本人签名： 日期：2016年5月7号
摘要 随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta 并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。 首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。 关键词：并联机械手；三自由度；3D建模
ABSTRACT With the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly. First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly. Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling
D e l t a并联机器人的 机构设计1
零件的设计与选型 1 定平台的设计 定平台又称基座，在结构中属于固定的，具体的参数见图一，厚度 20cm。定 平台的等效圆半径为 210mm。材料选用铸铁，铸造加工，开口处磨削加工保证精度。 最后进行打孔的工艺。 图一定平台设计图
2 驱动杆的设计 具体参数为长* 厚* 宽：880mm*10mm*20mm。孔的参数为φ 10*10mm。材料用 铝合金，设计为杆式，质量小，经济，同时也满足载荷条件。 图二驱动杆的设计图 3 从动杆的设计
具体参数为长* 宽* 高：620*20*10mm。孔参数为φ 10*10mm。材料选用铝合金。 图三从动杆的设计图 4 动平台的设计 参数如下图，考虑到重量因素，采用铝合金，切削加工。动平台的等效圆半径 为 50mm，分布角为21.5°。
图四动平台的设计图 5 链接销的设计 45号钢，为主动杆和定平台的连接销：φ 9*66mm。
6 球铰链的选型 目前，大多数的Delta机构的主动杆与从动杆的链接方式为球铰链的链接。球型连接铰链是用于自动控制中的执行器与调节机构的连接附件。它采用了球型轴承结构具有控制灵活、准确、扭转角度大的优点，由于该铰链安装、调整方便、安全可靠。所以，它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业的自动控制系统中。球铰链由于选用了球型轴承结构，能灵活的承受来自各异面的压力。本文选用球铰链设计，是主要因为球铰链的可控性，以及结构简单，易于装配。且有很好的可维护性。 本文选用了伯纳德的 SD 系列球铰链，相对运动角为60°。 7 垫圈的选型 此处我们选用标准件。GB/T 97.1 10‐140HV ，10.5*1.6mm。 8 电机的选型