并联机器人研究现状

基金项目河南理工大学青年基金资助项目(33)!!!!!!!!!!!!!!!!并联机器人机构研究概述张跃敏,谢刚(河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454003)

工业机器人自1960年代初问世以来,得到十分迅速的发展,已广泛应用于各个工业领域以及服务行业、医疗卫生等方面。在工业(串联)机器人方兴未艾时,又出现了一种全新的并联机器人种类。并联机器人与串联机器人相比具有结构刚度大、承载能力强、运动精度高以及位置反解简单和力反馈控制方便等诸多优点[1,2],近年来,被广泛应用到航天器对接装置、雷达定向装置以及虚拟轴高速并联机床。由于其卓越的运动学和动力学性能以及潜在的工业应用前景,吸引了世界范围内的众多学者对它的研究与开发。本文对其中并联机器人机构的研究现状与成果进行概述。1并联机器人机构的研究现状并联机器人的研究大致分为两类:一类是并联机器人机构分析,包括对已经存在的并联机器人进行机构学、运动学、动力学、运动控制、路径规划,智能设计等的研究。其应用领域主要有:并连机床、飞行模拟器、空间飞行对接机构、装配生产线、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统、动感娱乐平台以及医疗设备。并联机构学与运动学分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间等方面,是并联机器人控制和应用研究的基础。并联机器人动力学分析的方法很多,主要有:拉格朗日法、牛顿-欧拉法、高斯法、凯恩法等。由于并联机构的复杂性,目前有关对并联机器人的研究大都集中在机构学方面,而对于动力学的研究相对较少。另一类即是并联机器人机构综合,也就是寻找作为机械承载本体的新机构类型。本质上,机构综合是最具原始创新的工作[2]。最初,这一研究课题严重依赖设计者的经验,直觉和灵感。因此,在研究的过程中没有可靠的方法和科学的步骤来遵循。综合出的机构不具备完整的系统性和规律性,导致了机构综合困难很大且成果不多。因此,许多学者在致力于寻找一种具有普遍意义的机构综合方法。这种方法应该由科学的机构综合步骤,准确的数学表达方式和标准的机构表达概念构成一种完整的系统理论方法。目前,这一领域已经成了并联机器人机构研究的热点。在这些各具特点的方法中,主要包括基于李群理论的机构综合方法、基于螺旋理论的机构综合方法,基于机械系统整体功能的机构综合方法等。它们各具特色,而且学者们利用这些不同的方法都综合出了许多重要的机构系列。最早应用并联机器人的领域是机械制造业,如美国Giddings&Lewis公司于1994年9月在芝加哥IMTS国际博览会上首次展出了VARIAX型并联运动机床,引起轰动。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心,标志着机床设计开始采用并联机构,是机床结构重大改革的里程碑。此后,美国Ingersoll公司和Hexel公司,德国Mikromat公司、Index机床公司、DSTechnologie机床公司、Reichenbacher公司及Herkert机床公司,俄罗斯Lapic公司、法国RenaultAutomation公司、中国的众多科研院所等先后研制出各种并联机床。在并联机器人机构的应用中,研究的深度和实用化或者说商品化进程较高的有3种机型:一是前述提到的六足结构的Stewart平台,其被广泛应用于并联机床、机器人装置;二是可实现3维纯平动的DELTA并联机器人;还有一种是带有导向装置的三自由度并联(混联)机构[3],用于航空航天铝结构件、复合材料的高速铣削、汽车大型模具制作、激光切割、空间多位姿安装等。国内1980年代初燕山大学的黄真教授就开始对并联机构的基础理论进行系统地研究[5]。从1998年开始,我国对并联机床的研究取得了一系列标志性成果。清华大学和天津大学合作于年研制成功我国第一台基摘要:介绍了并联机器人机构的研究现状和应用,概述了少自由度并联机构的研究,针对国内外对并联机器人的研究,提出了研究中存在的问题和方向。关键词:并联机器人;机构中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1002-2333(2008)07-0008-02TheStudyofParallelRobotManipulatorZHANGYue-min,XIEGang(Dept.ofMechanicalEngineeringofHenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)Abstract:Thecurrentsituationintheresearchandapplicationofparallelrobothasbeenintroduced.Thestudyoflower-mobilityparallelmanipulatorhasbeenreviewed.Someproblemsandgoalsforstudyingparallelrobothomeandabroadwerepointedout.Keywords:parallelrobot;manipulator专题报道SPECIALREPORT工业机器人技术

刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真研究

1.前言

刚柔耦合并联机器人是一种新型的机器人技术，其特点是结合了刚体机器人和柔性机器人的优点，在运动控制、机械刚度、操作灵活性等方面具有很大的优势。本文旨在通过对刚柔耦合并联机器人的动力学建模及仿真进行研究，探索其在机器人领域的应用前景。

2.刚柔耦合并联机器人的概念和特点

刚柔耦合并联机器人是指将刚体机器人和柔性机器人结合起来，构成一种新型的机器人系统。其特点在于，将多个刚体部分通过柔性连接构成一个整体，在此基础上再进行机械臂设计及运动控制，使得机器人系统在运动中能够具备较高的柔性和韧性，同时兼备高刚度和高精度的优点。

与传统的刚体机器人相比，刚柔耦合机器人具有以下几个方面的特点：

（1）柔性连接：用柔性连接将多个刚体部分构成一个连续的机械臂结构，使得机械臂在操作时能够兼顾柔性和刚度。

（2）高韧性：由于采用了柔性部件，机械臂的韧性得到了提高，在进行协作任务时具有较好的适应能力。

（3）高效率：柔性部件的加入使得机械臂的运动更加平稳，能够在较高的速度下进行操作，提高了工作效率。 3.刚柔耦合并联机器人的动力学模型

为了更好地掌握刚柔耦合并联机器人的运动特性，需要对其进行动力学建模。在机器人运动学模型中，关节角度、连杆长度以及机器人末端的空间位置是非常重要的参数。在刚柔耦合机器人中，由于连接部件的柔性，连接部件的长度随时间和机器人的运动而变化。因此，建立刚柔耦合并联机器人的动力学模型需要考虑柔性连接部件的材料特性和节点运动方程。

在建立动力学模型时，可以采用Lagrange动力学方法。其中，Lagrange的动力学方程可以表示为：

Lagrange（T）- Lagrange（U）=d/dt（dL/d/dt（T））

其中T表示机械臂的运动状态参数，U表示势能，L表示机械臂的动能。利用该方程可以求解机械臂在运动过程中所受到的各种力。

4.刚柔耦合并联机器人的运动控制

第３１卷第１期　２００７年２月　北京交通大学学报　ｏＦ　ＢＥＩＪＩＮＧ　Ｉ　！　堡　Ｖｏ【．３１　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２００７　

文章编号：１６７３—０２９１（２００７）０１—００４１—０５　

并联机器人机构综合方法比较研究　

郭盛，方跃法　

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京１０００４４）　

摘　要：总结了并联机器人机构综合的３种主要方法．以一种典型机构的综合过程作为分析范例，　

分析了应用３种不同机构综合方法在机构综合过程中的不同思想、数学表达和综合步骤．得出了它　

们之间的优点、缺点以及不同的应用特点．在此基础上，首次提出研究机构综合统一理论的思路．　

关键词：并联机器人；机构综合；比较研究　

中图分类号：ＴＨｌｌ２．１　文献标志码：Ａ　

Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　

ｆｏｒ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ　

ＧＵＯ　Ｓｈｅｎｇ，ＦＡＮＧ　Ｙｕｅ－ｆａ　

（ＳｃｈＯＯｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｒ　ｄｉｆ—　

ｆｅｒｅｎｔ　ｉｄｅａｓ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｓｔｅｐｓ　ｗｅｒｅ　ａｎＮｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｒａｗ—　

ｂａｃｋｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｂｏｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　

并联机器人的运动学分析

一、引言

机器人技术作为现代工业生产的重要组成部分，已经在汽车制造、电子设备组装、医疗器械等领域发挥着重要作用。而在机器人技术中，并联机器人以其独特的结构和运动方式备受关注。本文将对并联机器人的运动学进行深入分析，探讨其工作原理及应用前景。

二、并联机器人的运动学模型

并联机器人由多个执行机构组成，这些执行机构通过联接杆件与运动基座相连，使机器人具有多自由度运动能力。为了对并联机器人的运动学进行建模，我们需要确定每个执行机构的运动关系。其中，分析最为常用的是基于四杆机构的并联机器人。

1. 四杆机构的运动学模型

四杆机构是一种由两个连杆和两个摇杆组成的机构，通过这些部件的相对运动实现机构的运动。在并联机器人中，常见的四杆机构包括平行型、等长型等。以平行型四杆机构为例，我们可以将其简化为平面结构，并通过设定适当的坐标系进行建模。

在平行型四杆机构中，设两个连杆为L1和L2，两个摇杆为L3和L4。定义坐标系，以机构的连杆转轴为原点，建立运动坐标系OXYZ。假设L3的转角为θ3，L4的转角为θ4，连杆L1和L2的长度分别为L1和L2，则可以通过几何关系得到机构的运动学方程。

2. 并联机器人的运动学模型

并联机器人由多个四杆机构组成，各个四杆机构之间通过杆件连接，使得整个机器人能够实现更复杂的运动。以三自由度的并联机器人为例，每个四杆机构的连杆长度、摇杆转角都有一定的自由度限制。通过对每个四杆机构的运动学模型进行分析，可以得到整个并联机器人的运动学方程。

三、并联机器人的动力学分析

除了运动学分析，动力学分析也是对并联机器人进行研究的重要方向。动力学分析包括对并联机器人在运动过程中的力矩、加速度等动力学参数的研究，是实现机器人精确控制和安全运行的基础。

1. 动力学模型的建立

在并联机器人的动力学分析中，我们通常采用拉格朗日方法建立动力学数学模型。通过拉格朗日方程可以建立机器人运动学和动力学之间的联系，从而实现对机器人运动过程中各个关节力矩的估算。