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。

两种并联机器人的机构性能分析与运动控制研究并联机器人是一种具有多个机械臂、执行器和传感器的机器人系统，具有高精度、高稳定性和高可靠性的特点。

在工业自动化和生命科学等领域，广泛应用于精密操作、装配、搬运等任务。

为了进一步提高并联机器人的机构性能和运动控制精度，研究人员提出了许多创新的方法和算法。

目前，主要有两种并联机器人的机构性能分析与运动控制研究，分别是基于刚性机械臂的并联机器人和柔性物体的并联机器人。

基于刚性机械臂的并联机器人是指机器人系统中，机械臂和执行器由刚性材料构成。

这种机器人通常具有较大的负载能力和较高的运动速度。

在机构性能分析方面，研究人员主要关注并联机器人的刚度、可重复性和精度等指标。

而在运动控制方面，传统的方法包括基于位置控制、速度控制和力控制的算法。

此外，还有许多创新的方法，如基于模型的控制、自适应控制和优化控制等。

柔性物体的并联机器人是指机器人系统中，机械臂和执行器由柔性材料构成，可以适应复杂的非刚性工件。

在机构性能分析方面，研究人员主要关注并联机器人的柔性度、变形能力和稳定性等指标。

而在运动控制方面，传统的方法无法直接应用于柔性机械臂的运动控制。

因此，研究人员提出了许多创新的方法，如基于模型的控制、自适应控制和协调控制等。

在并联机器人的机构性能分析方面，主要包括刚度分析、可重复性分析和精度分析等。

刚度分析是指研究机器人系统在外力作用下的刚度性能。

可重复性分析是指研究机器人系统的姿态误差和姿态精度。

精度分析是指研究机器人系统的位置误差和位置精度。

在机构性能分析的基础上，可以进一步优化机器人的机构参数和设计。

在并联机器人的运动控制研究方面，主要包括位置控制、速度控制和力控制等。

位置控制是指控制机器人系统到达目标位置的控制方法。

速度控制是指控制机器人系统运动速度的控制方法。

力控制是指控制机器人系统对外力的敏感性和响应能力。

在运动控制方面的研究中，可以根据具体任务和要求，选择合适的控制算法和控制策略。

《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》一、引言随着人口老龄化的加剧和人们生活方式的改变，手腕康复问题日益突出。

手腕康复机器人的研制对于提高患者的生活质量、减轻医疗负担具有重要意义。

共轴球面并联机构因其结构紧凑、运动灵活等优点，成为手腕康复机器人研究的热门选择。

本文基于共轴球面并联机构，研制了一款适用于手腕康复的机器人系统，以期为相关研究和应用提供参考。

二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种具有高灵活度和高刚度的机构类型，通过多个平行运动轴系的相互连接和配合，可以实现多个方向的协调运动。

该机构具有结构紧凑、运动范围大、动态响应快等优点，非常适合用于手腕康复机器人的研制。

三、手腕康复机器人系统设计1. 机械结构设计：根据手腕的生理结构和运动特点，设计出合理的机械结构。

本系统采用共轴球面并联机构，结合人体工学原理，确保手腕在运动过程中得到有效的支持和引导。

2. 驱动系统设计：采用伺服电机和传动装置，实现对手腕运动的精确控制。

同时，为了确保系统的稳定性和可靠性，选用高精度的传感器和控制系统。

3. 软件系统设计：基于PC平台开发一套可视化操作界面，便于医护人员对患者进行操作和治疗。

软件系统包括患者信息管理、治疗计划制定、运动数据采集与分析等功能。

四、手腕康复机器人关键技术1. 运动学建模：基于共轴球面并联机构的运动特点，建立手腕康复机器人的运动学模型，为后续的运动控制和优化提供依据。

2. 运动控制策略：采用先进的控制算法，实现对手腕运动的精确控制。

包括位置控制、速度控制、力控制等，确保患者在康复过程中得到有效的治疗和锻炼。

3. 安全性设计：在系统中加入多种安全保护措施，如过载保护、运动范围限制等，确保患者在使用过程中的安全。

五、实验与结果分析为了验证本系统的性能和效果，我们进行了多组实验。

实验结果表明，本系统能够有效地模拟人手对手腕的康复治疗过程，实现对手腕的精确控制和有效锻炼。

同时，系统具有较高的稳定性和可靠性，能够满足患者的长期使用需求。

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。

两种并联机器人的机构性能分析与运动控制研究两种并联机器人的机构性能分析与运动控制研究摘要：本文对两种常见的并联机器人——三自由度重叠型并联机器人和六自由度Stewart平台机器人的机构性能进行了分析并研究了其运动控制方法。

首先，通过分析并联机器人的结构特点和工作原理，探讨了它们在机构刚度、承载能力和运动自由度等方面的优势和局限性。

然后，针对这些优势和局限性，提出了相应的运动控制策略和方法，并通过仿真和实验验证了其有效性。

最后，对比分析了这两种并联机器人的机构性能和运动控制方法，为未来的研究和应用提供了参考。

关键词：并联机器人；重叠型并联机器人；Stewart平台机器人；机构性能；运动控制引言并联机器人由于其具有刚度高、机构紧凑、负载能力大等优点，在工业领域和科研领域得到广泛应用。

它们可以通过多个自由度的同时运动来实现高精度的定位和运动控制，因此在精密立体定位、航空航天领域等对位置和速度要求较高的任务中得到了广泛应用。

本文选取了两种常见的并联机器人进行研究：三自由度重叠型并联机器人和六自由度Stewart平台机器人。

重叠型并联机器人由于其结构简单，易于控制，广泛应用于工业生产线上。

Stewart平台机器人则以其高精度、高刚度和负载能力大而著称，广泛应用于飞行模拟器和医疗机器人等领域。

本文将对这两种机器人的机构性能进行分析，并研究其运动控制方法，为进一步的研究和应用提供参考。

一、三自由度重叠型并联机器人的机构性能分析与运动控制研究1.结构特点与工作原理三自由度重叠型并联机器人由一个固定基座和一个能够相对基座运动的平台组成，平台上有三组相交的平动副件使得平台可以做三个自由度的运动。

该机器人结构简单、刚度高，在工业生产线上得到广泛应用。

该机器人的工作原理是通过控制每个平动副件的长度变化，从而实现平台的运动。

平动副件的长度变化可以通过液压、电机等方式控制。

此外，还需要进行运动补偿，以消除由于副件间配合间隙和机构刚度等因素产生的误差。

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）。