并联机构及并联机器人

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。

并联机器人背景介绍在现代工业自动化的浪潮中，机器人技术的发展日新月异。

其中，并联机器人作为一种独特的机器人类型，正逐渐展现出其在多个领域的重要作用和巨大潜力。

要理解并联机器人，首先得从它的基本概念和特点说起。

并联机器人是一种由多个并行运动链连接动平台和定平台而构成的机器人。

与传统的串联机器人不同，并联机器人的各个运动链同时协同工作，共同实现机器人的动作和任务。

并联机器人的特点十分显著。

其一，它具有较高的刚度和承载能力。

由于其结构上的并行特性，能够承受较大的负载，这使得它在一些需要处理重物件的工作场景中表现出色，比如重型机械制造、航空航天领域中的零部件搬运等。

其二，并联机器人的精度通常较高。

其结构的稳定性和运动的准确性，使其能够完成对精度要求苛刻的操作，例如电子零部件的组装、精密仪器的制造等。

其三，它的响应速度快。

在高速运动的情况下，依然能够保持良好的动态性能，这对于需要快速完成重复动作的生产流程来说，是一个极大的优势。

并联机器人的发展并非一蹴而就，而是经历了一个逐步演进的过程。

早在20 世纪30 年代，就有学者开始对并联机构进行理论研究。

然而，由于当时的技术条件限制，并联机器人的实际应用受到了很大的制约。

直到 20 世纪 80 年代，随着计算机技术、控制技术以及制造工艺的不断进步，并联机器人开始逐渐走向实用化。

在其发展历程中，一些关键技术的突破起到了重要的推动作用。

比如，先进的运动学和动力学建模方法的出现，使得对并联机器人的运动规划和控制更加精确和高效。

高精度的传感器技术的应用，能够实时监测机器人的运动状态，为精确控制提供了有力的支持。

此外，高性能的控制器和驱动系统的研发，也大大提升了并联机器人的性能和可靠性。

并联机器人在工业领域的应用十分广泛。

在食品包装行业，它可以快速而准确地完成包装、分拣等任务，提高生产效率和产品质量。

在医药领域，能够进行药品的分装、包装和检测等工作，确保药品生产的准确性和安全性。

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。

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。

引言概述：并联机器人是一种特殊类型的机器人，其特点是由多个机械臂通过共享同一个基座连接在一起。

这种机器人结构在工业生产和其他应用领域中广泛使用，具有多方面的优势。

本文将详细介绍并联机器人的特点，并对其应用范围进行分析。

正文内容：一、高精度和刚性1.1 高精度控制：并联机器人由多个机械臂组成，通过共享同一个基座，可以实现对机器人运动的高度控制。

这种结构可以提供更高的精度，使机器人在执行任务时能够保持更强的稳定性和准确性。

1.2 刚性结构：由于并联机器人的各个机械臂共享同一个基座，形成了一个紧密的结构。

这种结构提供了较高的刚性，使机器人在进行各种操作时能够保持更稳定的姿态，减少振动和变形。

二、扩展性和柔性2.1 多自由度：由于并联机器人由多个机械臂组成，每个机械臂都可以单独控制，因此具有较高的自由度。

这意味着并联机器人可以执行更复杂的任务，并适应不同的工作环境和需求。

2.2 应用广泛：由于其结构的柔性和可调节性，使得并联机器人在各个领域有着广泛的应用。

例如，在装配行业中可以用于精确装配操作，在医疗领域中可以用于手术辅助等。

三、较高的负载能力3.1 共享负载：并联机器人的机械臂通过共享同一个基座连接在一起，可以共同承担负载。

这使得并联机器人能够处理较重的物体和执行较大的力矩任务，适用于一些需要高负载能力的工作场景。

3.2 分配负载：并联机器人还可以根据任务要求进行负载分配，通过合理分配负载可以最大限度地提高机器人的效率和稳定性。

四、高速度和高加速度4.1 快速响应能力：并联机器人由多个机械臂组成，每个机械臂都可以独立运动和控制。

这使得并联机器人具有快速响应能力，能够以较高的速度完成各种任务。

4.2 高加速度：并联机器人的结构允许机械臂进行快速加速和减速。

这对于某些需要快速动作和高加速度的任务非常重要，如快速拾取和放置等。

五、安全性和人机协作5.1 安全性保障：并联机器人在执行任务时具有较高的安全性。

由于其结构可以提供更高的稳定性和准确性，减少了机器人发生意外事故的概率。

串联和并联机器人运动学与动力学分析串联和并联机器人是工业自动化领域中常见的机器人结构形式。

它们在不同的应用场合中有着各自的优势和适用性，因此对它们的运动学和动力学进行深入分析具有重要意义。

本文将从运动学和动力学两个方面对串联和并联机器人进行分析，并对它们的特点和应用进行了介绍。

一、串联机器人的运动学和动力学分析1. 串联机器人的运动学分析串联机器人是由多个运动副依次连接而成的，每个运动副只能提供一个自由度。

其运动学分析主要包括碰撞检测、正解和逆解三个方面。

（1）碰撞检测：串联机器人在进行路径规划时，需要考虑各个运动副之间的碰撞问题。

通过对关节位置和机构结构进行综合分析，可以有效避免机器人在工作过程中发生碰撞。

（2）正解：正解是指已知各关节的角度和长度，求解末端执行器的位姿和运动学参数。

常见的求解方法包括解析法和数值法。

解析法适用于关节均为旋转副或平动副的情况，而数值法则对于复杂的几何结构有较好的适应性。

（3）逆解：逆解是指已知末端执行器的位姿和运动学参数，求解各关节的角度和长度。

逆解问题通常较为困难，需要借助优化算法或数值方法进行求解。

2. 串联机器人的动力学分析串联机器人的动力学分析主要研究机器人工作时所受到的力、力矩和加速度等动力学特性，以及与机器人运动相关的惯性、摩擦和补偿等因素。

其目的是分析机器人的动态响应和控制系统的设计。

（1）力学模型：通过建立机器人的力学模型，可以描述机器人在工作过程中的动力学特性。

常用的建模方法包括拉格朗日方程法、牛顿欧拉法等。

（2）动力学参数辨识：通过实验或仿真，获取机器人动力学参数的数值，包括质量、惯性矩阵、摩擦矩阵等。

这些参数对于后续的控制系统设计和性能优化非常关键。

（3）动力学控制：基于建立的动力学模型和参数，设计合适的控制算法实现对机器人的动力学控制。

其中，常用的控制方法包括PD控制、模型预测控制等。

二、并联机器人的运动学和动力学分析1. 并联机器人的运动学分析并联机器人是由多个执行机构同时作用于末端执行器，具有较高的刚度和负载能力。

《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》篇一一、引言随着人口老龄化的加剧和人们生活方式的改变，手腕康复治疗需求日益增长。

传统的手腕康复治疗方法主要依靠物理治疗师的手动操作，然而，这种方法效率低下，难以满足大量患者的需求。

因此，研发一种高效、便捷的手腕康复机器人成为当务之急。

本文将重点介绍基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制。

二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种新型的机器人运动机构，具有结构紧凑、运动灵活、控制精度高等优点。

该机构由多个共轴球面组成，通过并联的方式实现手腕的多个方向运动。

这种机构能够模拟人手的多维度运动，对于手腕康复机器人来说具有很大的应用潜力。

三、手腕康复机器人设计（一）设计思路手腕康复机器人的设计主要考虑以下几个方面：安全性、舒适性、运动范围和治疗效果。

在共轴球面并联机构的基础上，我们设计了一款适用于手腕康复的机器人。

该机器人能够根据患者的具体情况，提供个性化的康复治疗方案。

（二）结构设计手腕康复机器人的结构主要包括共轴球面并联机构、驱动系统、控制系统等部分。

其中，共轴球面并联机构是实现手腕多维度运动的关键部分，驱动系统负责驱动机构的运动，控制系统则负责实现机器人的精确控制。

（三）功能实现手腕康复机器人能够模拟人手的多维度运动，帮助患者进行手腕的屈伸、旋转等运动。

同时，机器人还能够根据患者的具体情况，提供个性化的康复治疗方案，如力量训练、协调训练等。

此外，机器人还具有安全保护功能，能够在患者运动过程中提供必要的支撑和保护。

四、实验与结果分析（一）实验方法为了验证手腕康复机器人的效果，我们进行了多组实验。

实验对象包括不同年龄段、不同病情的患者。

在实验过程中，我们记录了患者的康复情况、治疗效果等数据。

（二）结果分析通过实验数据的分析，我们发现手腕康复机器人具有以下优点：一是能够有效地帮助患者进行手腕的多维度运动；二是能够根据患者的具体情况提供个性化的康复治疗方案；三是具有较高的安全性，能够在患者运动过程中提供必要的支撑和保护。