并联机器人发展现状与展望.docx

并联机器人发展现状与展望 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。 1 并联机构的发展概况 （一）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： 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。 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。 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。 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。 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。 并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，由于结构的原因，它的运动空间较小，而串并联机构则弥补了并联机构的不足，它既有质量轻，刚度大， 精度高的特点，又增大了机构的工作空间，因此具有很好的应用前景，尤其是少自由度串并联机构，适应能力强，且易于控制，是当前应用研究中的一个新热点。 （二）并联机构的分类 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 自由度并联机构，如 5-R、3-R-2-P（R 表示转动副，P 表示移动副）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 个移动运动。 （2 ）3 自由度并联机构。3 自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式： 平面 3 自由度并联机构，如 3-RRR 机构、3-RPR 机构，它们具有 2 个移动和一个转动；球 面 3 自由度并联机构，如 3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S 球面机构，3-RRR 球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而 3-UPS-1-S 球面机构则以 S 的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；3 维纯移动机构，如 Star Like 并联机构、Tsai 并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的 3 维移动空间机构；空间 3 自由度并联机构，如典型的 3-RPS 机构，这类机构属于欠秩机构[1]，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊 的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空 间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的 3-UPS-1-PU 球坐标式 3 自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有 1 个移动和 2 个转动的运动 （也可以说是 3 个移动运动）。 （3 ）4 自由度并联机构。4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如 2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过 3 个支链与定平台相连，有 2 个运动链是相同的，各具有 1 个虎克铰U ， 1 个移动副P ，其中P 和 1 个 R 是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。 （4 ）5 自由度并联机构。现有的 5 自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee 的 5 自由度并联机构具有双层结构（2 个并联机构的结合）。 （5 ）6 自由度并联机构。 6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构， 广泛应用在飞行模拟器、6 维力与力矩传感器和并