并联机构与并联机器人

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

并联机器人综述

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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。

第一章 并联机构的发展概况

1.1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。

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。

科技信息　０机械与电子ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第２１期　一种Ｄｅｌｔａ型并联机器人的机构设计与分析　刘彦伯　（陕西国防工业职业技术学院机械系　陕西西安７１０３０２）　｛摘要】提出了一种应用于产品包装的ｄｅｌｔａ型并联机器人。该机构灵活高效，具有良好的运动和力传递性能。在运动过程中，四个支臂始　终保持空间平行四边形且末端执行器只有３个平动自由度。本文对其进行了整体结构设计、自由度分析、位置正解反解的计算，为该机构的应　用打下了基础。　【关键词】并联机器人；自由度；位置反解；位置正解　．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ａ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｒｏｂｏｔ　Ｃａｌｌｅｄ　Ｄｅｌｔａ　ＬＩＵＹａｎ－ｂｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃ，Ｓｈａｎｎｘｉ　ｉｎｓｔ￣，［ｔｕｔｅ　ｏｆ＇Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　Ｓｈａｎｎｘｉ；７１０３０２）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｏｆｆｅｒｉｎｇ　ａ　ｄｅｌｔａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｒｏｂｏｔ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｐａｃｋｉｎｇ。１　ｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｄｅｌｉｖｅｒ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｅ１１，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ。Ｉｔｓ’ｆｏｕｒ　ｈａｎｄｓ　ａｌｗａｙｓ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ｐｏｓｅ　ｏｆ　ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ　ｉｎ、ｓｐａｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｏｖｉｎｇ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｏｒ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｔｈｒｅｅ　ｆｒｅｅｄｏｍｓ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ　ｄｅｇｒｅｅ。Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｈｏｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ、ｎｏｒｍａｌ　ａｎｄ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ．ａＳ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｔｓ’ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ。　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｐａｒａｌｌｅｌ　ｒｏｂｏｔ；Ｆｒｅｅｄｏｍ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　０引言　并联机器人相对于目前广泛应用的串联机器人来讲．具有刚度　强、精度高、自重负荷比小、速度高等显著的优点；但也有其不足之处，　如同样的结构尺寸，并联机器人的工作空间小，存在杆件空间的干涉、　奇异位置等问题，结构设计理论分析复杂。由于并联机构动力学特性　具有高度非线性、强耦合的特点，使其控制较为复杂。总体来讲，并联　机器人与串联机器人构成互补的关系，扩大了整个机器人的应用领　域。并联机器人机构多种多样，Ｃｌａｖｅｌ提出了一种称为Ｄｅｌｔａ的三维移　动机构。Ｄｅｌｔａ机构是最典型的空间三、自由度移动的并联机构，大多数　空间三自由度并联机构都是从ｂｅｉｔａ机构衍生的　。Ｄｅｌｔａ机器人是一种　具有３个平动自由度的高速并联机器人，也是商业应用最成功的并联　机器人之一。目前，并联机器人广泛应用于飞行器对接、外科手术和数　控加工等众多领域。食品制药领域普遍采用流水线生产，个别产品包　装环节还离不开人工操作。由于环境复杂、产品特殊，传统机构很难满　足灵活高效的要求，而并联机构在这些场合能充分发挥其优势。本文　主要针对包装堆垛机器人的机构设计进行探讨和分析。　１　机构介绍　根据包装堆垛机器人的动作要求可知ｄｅｌｔａ型机器人即可满足要　求。由于结构中有空间平行四边形存在，限制了机构的三个转动自由　度，仅仅留下三个平动自由度。于是设计了如下的并联机器人，如图　１－１所示。