并联机器人发展概述

基金项目：河南理工大学青年基金资助项目（１３３１１１）

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。

引言概述：

六自由度并联是一种先进的系统，具有广泛的应用前景。它由六个自由度的运动链组成，能够在空间中实现多轴度的同时运动。本文将从六自由度并联的背景历史、机构设计、控制方法、应用领域和未来发展等方面进行详细阐述。

正文内容：

1.背景历史

介绍六自由度并联的发展背景及其重要意义；

回顾早期几种并联的发展，如Gosselin并联机构、Stewart平台等；

引出六自由度并联作为一种更加先进的系统的出现。

2.机构设计

介绍六自由度并联的基本机构和组成部分，包括传动装置、连杆结构等；

引述并解析几种常见的六自由度并联的设计方案，如最常见的3UPU并联、6UPS并联等；

比较不同设计方案的特点和适用场景，探讨其优缺点。

3.控制方法 介绍六自由度并联的控制方法，包括力控制、位置控制、姿态控制等；

探究六自由度并联的运动学和动力学建模，以及逆运动学解算方法；

讨论控制系统中的传感器选取和控制算法优化，以提高的运动精度和控制性能。

4.应用领域

探讨六自由度并联在工业领域中的应用，如装配、焊接、涂覆等；

介绍在医疗领域中的应用，如手术系统、康复辅助等；

分析六自由度并联在航天、航空、军事等领域的应用前景。

5.未来发展

展望六自由度并联的未来发展趋势，如形变机构、软体等；

分析当前六自由度并联的挑战与机遇，如控制系统的复杂性、成本的降低等；

提出六自由度并联在智能制造、自主交互等领域的潜在应用。

总结：

本文详细介绍了六自由度并联的背景历史、机构设计、控制方法、应用领域和未来发展等方面。六自由度并联作为一种先进的系统，在工业、医疗、航空等领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断进步，六自由度并联将变得更加智能、高效，推动着技术的发展和应用的普及。

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

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水下机器人发展概述

1水下机器人发展背景

在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。 从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。 人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。

２水下机器人的定义与分类

２．１水下机器人的定义与概述

水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｕｎｄeｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。