并联机构与并联机器人

解读并联机器人机构研究摘要：并联机构是由两条以上的支链连接动平台和定平台组成，机构的多链和多环的特点导致机构输入输出之间的耦合性，虽然耦合性使机构提高了刚度和承载能力，但耦合性给并联机构的应用也带来了局限性。

目前，在机器人产业快速发展的今天，机器人已应用于各个领域包括工业生产、海空探索、康复和军事领域。

完全解耦并联机构具体适用于医疗卫生事业的微操作机器人，也可用于喷涂、显微注射等领域。

对于微操作机器人的研发设计来说，良好的机构设计是机器人性能优良的保证，同时合理的机构设计对于控制系统来说也是至关重要的。

关键词：并联；机器人；机构1引言并联机器人机构学是近20年来国际机构学的研究热点和学科前沿，也是我国学者在国际上具有重要学术影响的研究领域之一。

并联机器人是继串联操作臂和并联平台之后出现的一种新型并联机器人机构，由于采用柔索代替连杆作为并联机构的牵引元件，因此柔索并联机器人具有结构简单、工作空间大、易拆装、可重组、模块化程度高、负载能力强、运动速度快以及价格低廉等特点。

2 少自由度并联机器人机构少自由度并联机器人机构的研究已成为了国际上机器人学研究热点之一.由于在很多工业实际应用中,如机床制造业、激光对准、卫星天线的信号追踪,零件的搬运安装、数控机床换刀、光碟安放等等场合,要求并联机器人机构只具有2～5个自由度就能够满足实际需要.如果采用6自由度的并联机器人机构,会因铰约束、支链干涉、奇异位形等的影响,使其实现姿态的能力随着其位置空间的增加而缩减,还会增加机器人结构和控制方面的复杂程度.而少自由度并联机器人机构具有结构简单、工作空间较大、控制方便等优点,具有良好的应用前景.少自由度并联机构结构综合的步骤是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.构造与配置并联机构的支链结构.这是并联机构结构综合过程中非常重要的一步,在构造过程中不但要找出所有满足运动特征的支链类型,还要考虑支链配置的合理性、结构的复杂性、运动的连续性和机构奇异性等各种因素的影响.3 自由度无耦合空间移动并联机器人机构强运动学耦合性是一般并联机器人机构的共同特性，虽然其可以提高机构的结构刚度和承载能力，但也带来了机构运动学求解难度大、控制系统设计复杂等难题，这在一定程度上阻碍了并联机器人机构的推广及应用。

并联机器人原理1. 引言随着科技的不断发展，机器人在各个领域中的应用越来越广泛。

并联机器人作为机器人领域的一个重要分支，在工业自动化、医疗手术、航天等领域中发挥着重要作用。

本文将介绍并联机器人的原理、结构和应用，并从机构设计、运动学分析、动力学模型等方面进行深入探讨。

2. 并联机器人的定义和分类并联机器人是指由两个以上的机器人并联组成的机器人系统。

根据其结构和运动特点的不同，可以将并联机器人分为平台式并联机器人、串联式并联机器人和混联式并联机器人。

2.1 平台式并联机器人平台式并联机器人由一个移动平台和多个执行器组成，执行器通过机械连接装置连接到移动平台和工作台之间。

它具有高精度、高刚度和高灵活性的特点，在精密加工、装配和仿真等应用中得到广泛应用。

2.2 串联式并联机器人串联式并联机器人由多个运动杆件组成，杆件通过运动副连接在一起，形成一个连续链式结构。

串联式并联机器人通过杆件之间的相对运动实现工作台的运动，具有较大的工作空间和自由度，适用于需要较大工作范围和高精度运动的应用。

2.3 混联式并联机器人混联式并联机器人是平台式和串联式并联机器人的结合，既可以实现平台式并联机器人的高刚度和高精度，又能够实现串联式并联机器人的大工作空间和自由度。

混联式并联机器人在飞行器研究、空间站维修等领域具有广泛应用。

3. 并联机器人的机构设计并联机器人的机构设计是实现其运动特性的关键。

机构设计主要包括支撑结构、传动机构和执行机构。

3.1 支撑结构支撑结构是并联机器人的基础，负责支撑整个机器人系统的重量和载荷。

支撑结构应具有足够的刚度和稳定性，以保证机器人在工作过程中的精度和稳定性。

3.2 传动机构传动机构是实现并联机器人运动的关键组成部分，可以通过齿轮传动、皮带传动、链传动等方式实现。

传动机构应具有较高的传动精度和可靠性，以保证机器人的运动精度和稳定性。

3.3 执行机构执行机构是并联机器人的动力来源，可以是液压驱动、电动驱动或气动驱动等。

并联操作机器人系统设计与实现随着机器人技术的发展，越来越多的机器人应用到了生产制造等领域中。

其中，机器人系统的灵活性及高效性是影响其应用领域的重要因素。

而并联操作机器人系统则凭借其具有的高精度、高稳定性、高效率的特点，被广泛应用于航空航天、汽车、数控加工等领域。

并联操作机器人系统的原理是将多台机器人连接在同一机构下，实现多自由度的运动控制，提高其臂长和载荷等性能指标。

这种机器人系统通常由机械结构、控制系统、传感器和功能模块等多个部分组成。

下文将详细介绍并联操作机器人系统设计与实现的流程和技术要点。

机械结构设计机械结构是并联操作机器人系统的核心部分，直接影响并联操作机器人的运动性能。

机械结构设计的要点包括选择合适的机器人模型、设计连接机构、考虑工作空间、选用适合的臂长及载荷等。

机器人模型选择：目前市面上常见的并联操作机器人有平行机器人、串联机器人和混联机器人等。

平行机器人结构简单，具有高刚性和稳定性；串联机器人理论上具有无限多自由度，能够进行更加复杂的运动；混联机器人则兼具两者优点，但设计难度较大。

根据不同的工作要求和实际情况选择合适的机器人模型。

连接机构设计：连接机构是并联操作机器人系统的核心，主要包括主机架、机械臂、执行器等。

根据机器人模型设计对应的连接机构，注意要选用高刚性、高精度和耐久性好的材料制作。

并联操作机器人的基座通常只需要固定住即可，而机械臂的设计主要包括链接臂、驱动臂和动平台等，并采用合适的轴承和副件设计传动机构，以提高运动的稳定性和精度。

工作空间设计：并联操作机器人具有复杂的工作空间，设计时应根据具体应用场景确定其工作空间大小及形状等，以保证机器人能够完成所有任务。

臂长及载荷设计：并联操作机器人的臂长和载荷是其性能的重要指标，选用合适的臂长和合理的载荷可以提高机器人的灵活性和效率，减少故障率。

应根据实际工作要求结合材料特性、驱动能力等综合考虑设计并联操作机器人的臂长和载荷。

控制系统设计控制系统是并联操作机器人系统中的“大脑”，是实现整个机器人系统稳定性和精度的关键。

并联机构及机器人并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

特点是所有分支机构可以同时接受驱动器输入，然后共同决定输出。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置（图1）；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆（图2）；之后，Gough 在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置（图3）；三年后，Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart 机构。

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。

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 ）3 自由度并联机构。

（3 ）4 自由度并联机构。

（4 ）5 自由度并联机构。

（5 ）6 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，空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构、属于欠秩机构。

并联机器人机构学研究概况摘要：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：末端执行器必须具有运动自由度；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；每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。

而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、自重比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，并且与传统的串联机构相比，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，在21世纪将有广阔的发展前景。

本文根据查阅的并联机器人相关的文献，对其运动学、构型、奇异性与工作空间和动力学4个主要的研究方向进行了分析。

目前多种并联构型装备已经被设计和开发出来, 应用的领域涉及机床、机器人、定位装置、娱乐、医疗卫生等。

关键词：并联机构并联机器人研究方向应用中图分类号：TG156Recent Research of Parallel Robot MechanismAbstract:Parallel mechanism is a closed-loop mechanism, and its moving platform or the end of the actuator by at least two independent kinematic chain and frame are connected, the essential elements are as follows: the end of the actuator must be degrees of freedom of movement; The end of the actuator by several interrelated kinematic chain or branch and frame are connected; Each branch or kinematic chain driven by unique mobile vice or rotation. Parallel robot is a kind of new robot, it has great stiffness, carrying capacity is strong, small error, high precision, small weight ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages, and compared with the traditional serial mechanism, its spare parts manufacturing and inventory cost was much low er than traditional institutions of the same function, easy to assemble and modular, there will be broad prospects for development in the 21st century. According to refer to the related literature of parallel robot, the kinematics and configurations, singularity and work space and dynamics of four main research direction is analyzed. At present many kinds of parallel configuration equipment has been designed and developed, are involved in the application of machine tools, robots, positioning device, entertainment, health care and so on.Key words：Parallel mechanism Parallel robot mechanism Research direction Application0 前言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。

第11章并联机器人的控制习题解答三江学院许兆棠刘远伟11-1. 绘制并联机器人控制系统的组成的示意图，介绍并联机器人控制系统。

解：并联机器人控制系统的组成的示意图：图11-1 并联机器人控制系统的组成并联机器人控制系统：（1）并联机器人本体并联机器人本体由并联机构、动平台上的操作器和驱动系统组成。

1）并联机构并联机构是并联机器人的执行部分的主要部分，通过机构的运动确定动平台及操作器的运动，决定了动平台及操作器自由度、工作空间、奇异位形、主要工作精度等，没有并联机构，就没有并联机器人。

2）操作器操作器是并联机器人的执行机构，除了操作器本身的驱动器控制其运动外，操作器的运动主要取决于动平台的运动。

3）驱动系统驱动系统由驱动器、动力装置和驱动控制器等组成，驱动器和动力装置是驱动系统本体。

驱动系统的形式有液压、气压、电和微驱动系统。

（2）控制系统控制系统由驱动控制系统、计算机硬件和控制软件、输入/输出设备（I/O设备）和传感器组成，如图11-1中虚线框中所示。

1）驱动控制系统驱动控制系统控制驱动器，使驱动器按照操作器的位姿要求工作，为并联机器人提供动力和运动。

2）控制部分计算机硬件和控制软件、输入/输出设备（I/O设备）是控制系统的控制部分，计算机硬件和控制软件组成控制器，通过计算机硬件和控制软件控制驱动器等的运动，并通过传感器的负反馈信息修正驱动器的运动，输入/输出设备（I/O设备）用于输入控制数据和修改控制软件，改变驱动器输出的运动和力的变化的规律；从I/O设备输入的控制数据主要是动平台工作中的位姿数据；驱动器输出的运动和力的变化的规律和要求决定了控制系统的控制规律，也决定了控制软件。

3）传感器传感器为控制系统的传感部分，用于监视操作器或动平台、驱动器和其他工作器件的运动、力和温度等；对操作器或动平台监视的传感器，监视操作器或动平台的位姿、速度和加速度；对驱动器监视的传感器，监视驱动器输出的动力和运动；对其他工作器件监视的传感器，有监视连杆的力的传感器，有监视操作器、动平台和连杆的温度的传感器等；传感器将监视得到的信息负反馈给控制器；没有传感器的并联机器人由人控制；对动平台和操作器没有传感器监视的并联机器人，为并联机器人本体开环控制的并联机器人；对动平台和操作器有传感器监视并有负反馈信息给控制器的并联机器人，为并联机器人本体闭环控制的并联机器人。

并联式机构应用于机器人之发展发布日期2010.06.07类别技术资料出处精密机械研发中心张哲志一、前言在机器人发展初期，绝大部分的机器人都是以串联式机构作为载具，将线性轴与旋转轴组合而成，串联式机构是一个开放的运动链，其所有的运动杆件并没有形成一个封闭的结构链，因此机构各轴必须独立控制，并且需搭配编码器与传感器用来提高机构运动时的精准度，串联式机构优点包括：1.工作空间大、2.运动分析较容易、3.可避免驱动轴之间的耦合（coupling）效应。

相反的，并联式机构运动杆件为一个封闭形式的结构链，其优缺点如下：1. 不易有动态误差，精度较高。

2. 运动惯性小。

3. 输出轴大部份承受轴向应力，机器刚性高，结构稳定。

4. 为热对称性结构设计，热变形量较小。

5. 在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机构正解困难，反解容易。

6. 工作空间较小。

并联式机构的优点可以改善串联式机构传统机器人很难突破的根本限制，例如：机架及运动轴重量太大导致结构弯曲变形，并联机构可避免串联机构所造成的驱动轴累积误差，同时几何误差还能有平均化效果，因此容易达成高精密度。

并联式机构因为结构稳定、精度高等优点，有很大的潜力可以克服前述困难，提供下一代机器人所需的运动机构。

并联式机构最早的应用可追溯至1954年Gough与Whitehall所设计用来检测航空轮胎的机构（图1），1965年Stewart 在其论文所提出的六轴飞行仿真器机构（A platform with six degree of freedom），其并联机构原理仍广泛运用于现今的车辆、飞行驾驶训练仿真器（图2）。

图1 轮胎检测机构图2 飞行仿真器数据源：/数据源：/在20世纪80年代，瑞士洛桑工学院的Clavel首次提出Delta并联机构，该型式机构已被开发为工业机器人，并且广泛运用于产线生产与包装（图3），而在医疗领域，由于定位精度要求较高，同时为了避免因人工操作可能出现的颤抖，所以导入并联微动机器人用于显微外科手术（图4）。

并联机器人历史并联机器人历史、应用及发展浙江理工大学机电研究所李秦川并联机构英文名为Parallel Mechanism，简称PM，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构，它的出现可以回溯至20世纪30年代。

1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如图1-1所示；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆，如图1-2所示；之后，Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，如图1-3所示；三年后，Stewart图1-1 并联娱乐装置图1-2 Pollard的并联机构Figure 1-1 Parallel amusement device Figure 1-2 Pollard’s PM 首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，如图1-4所示，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构。

从结构上看，Stewart机构的动平台通过六个相同的独立分支与定平台相联接，每个分支中含有一个联接动平台的球铰、一个移动副和一个连接定平台的球铰，为避免绕两个球铰中心连线的自传运动，通常也用一个万向铰来代替其中一个球铰。

1978年，Hunt首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开并联机器人研究的序幕，但在随后的近10年里，并联机器人研究似乎停滞不前。

直到80年代末90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。

在国内，黄真教授在1991年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机(图1-5)，在1994年研制出一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器 (图1-6)，在1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著。

并联机器人的研究现状与发展趋势并联机器人的研究现状与发展趋势1、关联机构的提出及特点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[1]。

澳大利亚著名机构学教授Hunt于1978年提出将并联机构用于机器人手臂[2]。

随后，Maccallion和Pham.D.J首次将该机构按操作器设计，成功的将Stewart机构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联机器人的诞生，从此推动了并联机器人发展的历史。

典型的Stewart并联机器人如图1所示。

相对于串联机器人来说，并联机器人具有[3]以下优点：①与串联机构相比，刚度大，结构稳定；②承载能力强；③精度高；④运动惯性小；⑤在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机器人正解困难，反解容易。

由于并联机器人的在线实时计算是要求计算反解的，这对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现，由于这一系列优点，因而扩大了整个机器人的应用领域。

2、并联机器人的研究现状自1987年Hunt提出并联机器人结构模型以来，并联机器人的研究受到许多学者的关注。

美国、日本先后有Roney、Ficher 、Duffy 、Sugimoto等一批学者从事研究，英国、德国、俄罗斯等一些欧洲国家也在研究。

国内燕山大学的黄真教授自1982年以来在美国参加了此项内容的研究，并于1983年取得了突破性进展。

迄今为止，并联机构的样机各种各样，包括平面的、空间不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串联机构。

大致来说，60年代曾用来开发飞行模拟器，70年代提出并联机器手的概念，80年代来开始研制并联机器人机床，90年代利用并联机构开发起重机，日本的田和雄、内山胜等则用串联机构开发宇宙飞船空间的对接器。

此后，日本、俄罗斯、意大利、德国以及欧洲的各大公司相继推出并联机器人作为加工工具的应用机构。

我国也非常重视并联机器人及并联机床的研究与开发工作，中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学、东北大学、浙江大学、燕山大学等许多单位也在开展这方面研究工作，并取得了一定的成果。