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并联运动机器人应用背景略谈 　　并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。与串联构型相比, 并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点, 众多研究机构和制造企业都看好其在制造领域的应用前景。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。研究人员正试图开发出在速度、刚度、精度和费用等方面更优的并联构型装备, 以便在与传统制造装备的竞争中占据更有利的地位。 1. 早期的并联构型装备及特点[1] 结构中包含一个或多个并联机构的机器称为并联构型装备。只要是多自由度, 驱动器分配在不同环路上的闭式多环机构均可称为并联机构。20 世纪中叶, 罗马尼亚人Gough 采用并联机构设计了一种六自由度的轮胎测试机(见图1) , 这种结构被称为六足结构(Hexapod) 。1965 年, Stewart 将一种并联机构用于飞行模拟器, 它包含三个支链, 每个支链上分别通过一个固定平台上的旋转关节和一个可伸缩连杆来控制。这种机构具有六自由度, 被称为Stewart 平台。1978年, 澳大利亚机构学家Hunt 提出并联机构可以应用于机器人操作 。此后若干年, 并联构型装备的研究进展缓慢, 主要是受到计算机和伺服控制技术的限制, 计算6 个支链运动的时间和物质花费太大。但一些经济实力雄厚的部门已开始使用并联机构, 主要应用于航空、航天等领域。随着计算机技术的发展, 尤其是计算快速、功能强大的工业PC 出现之后, 促进了并联机构的应用和发展。 80 年代后期, 几种基于并联结构的机器人相继出现, 它们普遍具有较高的速度和加速度, 动态特性好, 在装配行业得到很好的应用。但真正引起轰动是在1994 年的芝加哥机床展览会上, Giddings Lewis 和Ingersoll 分别推出了基于并联机构的六足机床, 被媒体誉为“机床结构的重大革命”、“二十一世纪的数控加工装备”。从此并联构型装备一直是制造业的研究热点之一。这种结构的主要特点是: 1) 杆件只受拉压, 不受弯曲应力; 2) 刚度高, 承载能力与整机质量比大; 3) 移动部件质量小, 可获得很高的动态特性; 4) 零件标准化程度高, 易于实现模块化设计; 5) 作业空间与机器尺寸比小; 6) 灵活性较差, 运动平台倾斜角度较小; 7) 作业空间存在杆件干涉和奇异位变形危险。 图1 　Gough 的轮胎测试机 2 　并联构型装备的研究进展 　 应用领域 根据德国机床研究所提供的数据, 目前大多数并联装备应用于机床、定位装置和机器人领域, 其中机床所占比例最高(见图2) 。但在该领域, 样机数量远远超过商业用机, 比例是7∶3 。机器人领域的情况则相反, 60 %已投入实际工业应用, 40 %是样机。定位装置领域的情况与机床领域类似。 图2 　并联构型装备的应用 　2.1 定位装置　 并联机构在光学和微定位领域有很好的应用, 主要是发挥其刚度高、运动误差无累积的特点。定位装置一般采用纯并联结构(大多数是基于六足结构的六自由度系统) , 个别采用平面或混联结构。驱动装置一般采用滚珠丝杠, 个别需要较小行程的设备采用压电驱动 。图3 是PI公司开发的高精度定位装置F - 206 , 采用定长杆结构, 其x 、y 和z 方向的移动距离为6 mm , 图3 　PI 公司的F - 206 精确定位系统 绕x 、y 和z 轴的旋转角度为±5°, x 、y 和z 方向的最小增量运动为0.1μm , 设计分辨率为0.003μm , x 、y 和z 方向最大速度为10 mm/ s , 最大承载能力为2 kg ; 可应用于光子包装、光学设备测试、定位及调整装置、光纤定位、微细加工、微操作(生命科学中) 、半导体操作系统、微动手术操作。 2.2 机器人 并联构型装备在机器人领域的应用主要集中在两个方面, 一是提供高加速度和高速度,二是提供高于串联机器人的承载能力和刚度。 在需要快速移动能力的包装行业, 并联机器人得到广泛应用。比较成功的例子有三轴搬运系统Delta 和六轴搬运系统Hexa (见图4 和图5) , 均使用肘关节驱动, 质量轻, 作业空间大。由于运动部件质量小, 最大加速度可达20 个g ( Hexa) , 重复定位精度0.01 mm。截至1998 年底, 已经有250台Delta机器人投入实际生产环境。在制造领域, 使用并联